Автоматизація групового керування автономними ненаселеними підводними апаратами пошукового типу

Abstract

У дисертаційній роботі розв’язано актуальне прикладне наукове завдання вдосконалення системи автоматичного керування безаварійним рухом одиночного АНПА як «агента» групи в умовах навігаційної близькості інших підводних апаратів при виконанні ними спільної підводної пошукової місії. На основі аналізу існуючих методів автоматичного керування групою АНПА сформульовано переліки типових задач автоматичного керування АНПА у режимах одиночного та групового застосування. Удосконалено структуру автоматичної системи керування рухом одиночного АНПА, що працює у складі групи підводних апаратів і забезпечує безаварійний рух одиночного АНПА у складі групи. Для підвищення продуктивності підводних пошукових операцій на віддалених морських акваторіях удосконалено процес керування безекіпажним морським комплексом у складі безекіпажного надводного судна з групою автономних ненаселених підводних апаратів на борту. Вперше розроблено систему автоматичного керування веденим АНПА як «агентом» групи підводних апаратів, яка реалізує основні режими групового руху – вирівнювання, адгезію та когезію, синтезовано основні складові системи автоматичного керування – блоки сенсорів навігаційної обстановки, моделювання навігаційної обстановки, ідентифікації навігаційних загроз та бортового керуючого контролера, що виключає аварійне зіткнення сусідніх АНПА групи та розпад групи через втрату сенсорного контакту між ними. В диссертационной работе решена актуальная прикладная научная задача усовершенствования системы автоматического управления безаварийным движением одиночного АНПА как «агента» группы в условиях навигационной близости других подводных аппаратов при выполнении ими общей подводной поисковой миссии. На основе анализа существующих методов автоматического управления группой АНПА сформулированы перечни типовых задач автоматического управления АНПА в режимах одиночного и группового применения. Усовершенствована структура автоматической системы управления движением одиночного АНПА, который работает в составе группы подводных аппаратов и обеспечивает безаварийное движение одиночного АНПА в составе группы. Для повышения производительности подводных поисковых операций на отдаленных морских акваториях усовершенствован процесс управления безэкипажным морским комплексом в составе безэкипажного надводного судна с группой автономных необитаемых подводных аппаратов на борту. Впервые разработана система автоматического управления ведомым АНПА как «агентом» группы подводных аппаратов, которая реализует основные режимы группового движения – выравнивание, адгезию и когезию, синтезированы основные составляющие системы автоматического управления – блоки сенсоров навигационной обстановки, моделирования навигационной обстановки, идентификации навигационных угроз и бортового управляющего контроллера, что исключает аварийное столкновение соседних АНПА группы и распад группы из-за потери сенсорного контакта между ними. The dissertation solves the relevant applied scientific task of improving the accidentfree motion automatic control system of a single autonomous underwater vehicle as a group "agent" in conditions of navigational proximity of other autonomous underwater vehicles when performing a joint underwater search mission. For a single underwater vehicle as a group "agent" of underwater vehicles performing a joint mission, its mathematical model main components are structured and composed based on well-known publications, which include models of information system and an automatic control system, a propulsion and steering complex and the underwater vehicle external hull, as well as the model of external disturbances of hydrodynamic nature acting on its external hull. Also, a mathematical model and structure of the automatic motion control system of a single autonomous underwater vehicle operating in the group has been developed. The developed control system consists of two fuzzy regulators of the Mamdani type with defuzzification of the control variable by the center of gravity method: a distance regulator and a course regulator. The results obtained provide the accident-free motion of a single underwater vehicle in the group. A modeling complex generalized structure has been developed to study the automatic control system effectiveness of a group of autonomous underwater vehicles performing a joint underwater search mission. The complex includes four levels of the group's underwater mission automatic control - global, local, basic and executive, which provide modeling of the underwater search mission full cycle, which forms the basis for the implementation of computer technology for studying the effectiveness of the underwater vehicles' synthesized group control systems. The relevant tasks of the autonomous underwater vehicles group motion automation have been formulated – the task of underwater vehicles group automatic motion control system selected to perform a specified underwater mission, which provides underwater vehicles' coordinated motions on assigned trajectories and the task of control system synthesis of a single underwater vehicle as a "group" agent in conditions of navigational proximity of other underwater vehicles of the group. To increase the underwater search operation productivity in remote sea areas, the application of Maritime Unmanned Complex, consisting of an unmanned surface vessel with a group of search autonomous underwater vehicles on board, is proposed. The maritime underwater search control process mission has been improved with the help of such a complex consisting of ten stages has been developed, which includes unmanned surface vessel automatic transition operations to a given water area, automatic release of a group of autonomous underwater vehicles and their coordinated motion into the search area, performing search operations and returning to unmanned surface vessel, as well as automatic return of this vessel to base. In the dissertation, for the first time, a generalized automatic control system operation algorithm of the i-th follower autonomous underwater vehicle as a group "agent" of the underwater vehicles performing a joint mission was developed, and the synthesis of such underwater vehicle automatic control system, which implements the group motion main modes – alignment, adhesion and cohesion. Based on the utilization of fuzzy logic theories, the main components of the automatic control system are synthesized – blocks of the Navigation Environment Sensors, Navigation Situation Model, Navigation Threat Identifier and on-board controller. As a typical example of the use of fuzzy logic, the Navigation Threat Identifier synthesis is given, which generates recommendations maneuvers for the i-th follower underwater vehicle maneuvers to avoid single navigation threats in the directions controlled by this underwater vehicle sensors Based on the feature analysis of organizing and conducting the marine full-scale experiment on the automatic control system operability of the autonomous underwater vehicle as a group "agent", a program and methodology for conducting its field tests was developed, a generalized algorithm block diagram for conducting a marine full-scale experiment was proposed, and the acoustic sensor system laboratory research was carried out as the underwater vehicle navigation system main component. The results of the conducted sea full-scale tests of the underwater vehicle model automatic control system in the adhesion, cohesion and sinusoidal plane motion modes confirmed its efficiency.