izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2020-24-4-166-179izvestswsu-826Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentАлгоритм управления малогабаритным беспилотным подводным комплексомSmall-size Unmanned Control Algorithm of an Underwater ComplexБондыревВ. Е.BondyrevV. E.

Бондырев Владимир Евгеньевич, доктор педагогических наук, ведущий научный сотрудник НИИ РЭС

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Vladimir E. Bondyrev, Dr. of Sci. (Pedagogical), Leading Researcher of the Research Institute of RES

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

teormeh@inbox.ruКнязевС. И.KnyazevS. I.

Князев Сергей Иванович, аспирант

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Sergey I. Knyazev, Post-Graduate Student, Department of Mechanics, Mechatronics and Robotics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

teormeh@inbox.ruКоролевВ. И.KorolevV. I.

Королёв Владимир Иванович, аспирант, вице-президент Объединённой судостроительной компании по военному кораблестроению

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Vladimir I. Korolev, Post-Graduate Student, Department of Mechanics, Vice-President of the United Shipbuilding Company for Military Shipbuilding Mechatronics and Robotics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

teormeh@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7420-0772ЯцунС. Ф.JatsunS. F.

Яцун Сергей Федорович, доктор технических наук, профессор

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Sergei F. Yatsun, Dr. of Sci. (Engineering), Professor, Head of the Department of Mechanics, Mechatronics and Robotics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

teormeh@inbox.ruЮго-Западный государственный университетSouthwest State University202003022021244166179Copyright © Бондырев В.Е., Князев С.И., Королев В.И., Яцун С.Ф., 20212021Бондырев В.Е., Князев С.И., Королев В.И., Яцун С.Ф.Bondyrev V.E., Knyazev S.I., Korolev V.I., Jatsun S.F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/826

Цель исследования. Создание систем мониторинга водоемов позволяет оперативно оценивать экологическую ситуацию в различных точках района мониторинга. Одним из основных этапов исследования качества воды является отбор проб, который сегодня осуществляется на стационарных постах, что делает невозможным обеспечение оперативного контроля на различных участках объекта наблюдения. Решение проблемы возможно за счет применения мобильных роботизированных платформ. Целью работы является создание математической модели и алгоритма управления автономным движением подводного роботизированного устройства для сбора проб воды в водоеме. Методы. Для этого решены следующие задачи: разработана структура устройства, которая состоит из блока силового каркаса, блоков винтовых электроприводов, блоков рулей глубины и направления. А также блока бортового источника питания, блока сенсоров, обеспечивающих взаимодействие подводного аппарата с окружающей средой. Сформулированы задачи управления, для этого разработана схема движения устройства в водоеме. Результаты. Предложен модульный метод планирования траектории, основанный на понятии единичный цикл движения, который состоит из 2-х поворотов и 2-х прямолинейных этапов 2R2P, также предложена модель управляющего алгоритма и исследованы реакции аппарата на внешние возмущения. При решении задач применены общие теоремы динамики, метод синтеза алгоритма по обратной задаче динамики. Заключение. В результате проведенных исследований рассмотрена реакция системы на возмущающие воздействия, действующие в продольном направлении, приведены графики возмущения, случайного типа с нормальным законом распределения и отклонение центра масс от заданного положения.

Purpose of research: The creation of water bodies monitoring systems makes it possible to evaluate environmental situation in various points of monitoring area quickly. One of the main stages of water quality research is sampling, which is currently carried out at stationary posts, which makes it impossible to ensure operational control in various areas of an observation site. The problem can be solved by using mobile robotic platforms. The purpose of this study is to create mathematical model and algorithm for controlling autonomous movement of an underwater robotic device for collecting water samples in a reservoir. Methods. The following problems were solved for this purpose: the structure of the device was developed, which consists of a power frame unit, units of screw electric drives, units of depth and direction rudders. On-board power supply unit, sensor unit providing interaction of underwater vehicle with environment were also developed. Control tasks are formulated. A scheme of device movement in a reservoir has been developed for this purpose. Results. Modular method of trajectory planning is proposed. It is based on a single motion cycle concept, which consists of 2 turns and 2 straight-line stages of 2R2P. A model of control algorithm is also proposed and reactions of apparatus to external disturbances are studied. General dynamics theorems, method of algorithm synthesizing according to inverse dynamics problem were applied when solving problems. Conclusion: As a result of conducted studies, the system response to disturbances acting in longitudinal direction is described, disturbance diagrams are also described, random type with normal distribution law and mass center deviation s from the given position are given.

система мониторинга водоемовмалогабаритный беспилотный подводный комплексструктурная схемавозмущающие воздействияматематическая модельпланирование траектории движенияwater bodies monitoring systemsmall unmanned underwater complexstructural diagramdisturbing effectsmathematical modelplanning the motion pathИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90053.The study was carried out with the financial support of RFFI in the framework of as part of scientific project No. 19-33-90053.ReferencesИнзарцев А.В., Павин А.М., Багницкий А.В. Планирование и осуществление действий обследовательского подводного робота на базе поведенческих методов // Подводные исследования и робототехника. 2013. № 1 (15). С. 4–16.Inzartsev A.V., Pavin A.M., Bagnitsky A.V. Planirovanie i osushchestvlenie deistvii obsledovatel'skogo podvodnogo robota na baze povedencheskikh metodov [Planning and implementation of actions of a survey underwater robot based on behavioral methods]. Podvodnye issledovaniya i robototekhnika = Underwater Research and Robotics, 2013, no. 1 (15), pp. 4-16 (In Russ.).Distributed Simulation Framework for Investigation of Autonomous Underwater Vehicles’ RealTime Behavior / S. Melman, V. Bobkov, A. Inzartsev, A. Pavin // Proceedings of the OCEANS’15 MTS/IEEE Conference. Washington DC, USA, 2015.Melman S., Bobkov V., Inzartsev A., Pavin A. Distributed Simulation Framework for Investigation of Autonomous Underwater Vehicles’ RealTime Behavior. Proceedings of the OCEANS’15 MTS/IEEE Conference. Washington DC, USA, 2015.Pavin A., Inzartsev A., Eliseenko G. Reconfigurable Distributed Software Platform for a Group of UUVs (Yet Another Robot Platform) // Proceedings of the OCEANS’16 MTS/IEEE Conference. Monterey, USA, 2016.Pavin A., Inzartsev A., Eliseenko G. Reconfigurable Distributed Software Platform for a Group of UUVs (Yet Another Robot Platform). Proceedings of the OCEANS’16 MTS/IEEE Conference. Monterey, USA, 2016.Костенко В.В., Павин А.М. Автоматическое позиционирование необитаемого подводного аппарата над объектами морского дна с использованием фотоизображений // Подводные исследования и робототехника. 2014. № 1(17). С. 39–47.Kostenko V. V., Pavin A.M. Avtomaticheskoe pozitsionirovanie neobitaemogo podvodnogo apparata nad ob"ektami morskogo dna s ispol'zovaniem fotoizobrazhenii [Automatic positioning of an uninhabited underwater vehicle over objects of the sea floor using photo images]. Podvodnye issledovaniya i robototekhnika = Underwater Research and Robotics, 2014, no. 1(17), pp. 39-47 (In Russ.).Reconfigurable Webbased Simulation Environment for AUV / A. Pavin, A. Inzartsev, G. Eliseenko, O. Lebedko, M. A. Panin // Proceedings of the OCEANS’15 MTS/IEEE Conference. Washington DC, USA, 2015.Pavin A., Inzartsev A., Eliseenko G., Lebedko O., Panin M. A Reconfigurable Webbased Simulation Environment for AUV. Proceedings of the OCEANS’15 MTS/IEEE Conference. Washington DC, USA, 2015.Реконфигурируемая кроссплатформенная среда моделирования поведения необитаемого подводного аппарата / А.В. Инзарцев, А.М. Павин, Г.Д. Елисеенко, Д.Н. Родькин, А.В. Сидоренко, О.А. Лебедко, М.А. Панин // Подводные исследования и робототехника. 2015. № 2 (20). С. 28–34.Inzartsev A.V., Pavin A.M., Eliseenko G. D, Rodkin D. N., Sidorenko A.V., Lebedko O. A., Panin M. A. Rekonfiguriruemaya krossplatformennaya sreda modelirovaniya povedeniya neobitaemogo podvodnogo apparata [Reconfigurable cross-platform environment for modeling the behavior of an uninhabited underwater vehicle]. Podvodnye issledovaniya i ro-bototekhnika = Underwater Research and Robotics, 2015, no. 2 (20), pp. 28-34 (In Russ.).Pavin A. Underwater Object Recognition in Photo Images // Proceedings of the OCEANS’15 MTS/IEEE Conference. Washington DC, USA, 2015.Pavin A. Underwater Object Recognition in Photo Images. Proceedings of the OCEANS’15 MTS/IEEE Conference. Washington DC, USA, 2015.Распознавание и обследование малоразмерных подводных объектов с помощью автономных необитаемых подводных аппаратов / А.В. Инзарцев, А.М. Павин, О.А. Лебедко, М.А. Панин // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 2 (22). C. 36–43.Inzartsev A.V., Pavin A.M., Lebedko O. A., Panin M. A. Raspoznavanie i obsledovanie malorazmernykh podvodnykh ob"ektov s pomoshch'yu avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov [Recognition and survey of small-sized underwater objects using Autonomous uninhabited underwater vehicles]. Podvodnye issledovaniya i robototekhnika = Underwater Research and Robotics, 2016, no. 2 (22), pp. 36–43 (In Russ.).Князев С. И., Маслов А. А., Яцун С. Ф. Математическая модель малогабаритного беспилотного подводного комплекса для экологического мониторинга водоемов // XXXI Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2019). М., 2020. С. 480-483.Knyazev S. I., Maslov A. A., Yatsun S. F. [Mathematical model of a small-sized unmanned underwater complex for environmental monitoring of reservoirs]. XXXI Mezhdunarodnaya innovatsionnaya konferentsiya molodykh uchenykh i studentov po problemam mashinovedeniya (MIKMUS-2019) [XXXI international innovative conference of young scientists and students on machine science (MICMUS-2019)]. Moscow, 2020, pp. 480-483 (In Russ.).Князев С.И., Яцун А.С., Яцун С.Ф. Управляемое движение малогабаритного подводного робототехнического комплекса (МБПК) // Балтийский морской форум. Материалы VII Международного Балтийского морского форума: в 6 т. Калининград, 2019. С. 40-45.Knyazev S. I., Yatsun A. S., Yatsun S. F. [Controlled movement of a small-sized underwater robotic complex (MBPC)]. Baltiiskii morskoi forum. Materialy VII Mezhdunarodnogo Baltiiskogo morskogo foruma [Collection "Baltic sea forum". Materials of the VII international Baltic sea forum]. Kaliningrad, 2019, pp. 40-45 (In Russ.).Князев С. И., Яцун А. С., Яцун С. Ф. Управляемое движение малогабаритного подводного робототехнического комплекса (МБПК) // Балтийский морской форум. Материалы VII Международного Балтийского морского форума: в 6 т. Калининград, 2019. С. 40-45.Knyazev S. I., Yatsun A. S., Yatsun S. F. [Controlled movement of a small-sized underwater robotic complex (MBPC)]. Baltiiskii morskoi forum. Materialy VII Mezhdunarodnogo Baltiiskogo morskogo foruma [Collection "Baltic sea forum". Materials of the VII international Baltic sea forum]. Kaliningrad, 2019, pp. 40-45 (In Russ.).Ефимов С. В., Князев С. И., Яцун С. Ф. Изучение управляемого движения малогабаритного подводного комплекса – анализатора загрязнений акватории // Cloud of Science. 2020. Т.7, №3. С.488-497.Efimov S. V., Knyazev S. I., Yatsun S. F. Izuchenie upravlyaemogo dvizheniya malogabaritnogo podvodnogo kompleksa - analizatora zagryaznenii akvatorii [Study of controlled movement of a small-sized underwater complex-water pollution analyzer]. Cloud of Science, 2020, vol. 7, no. 3, pp. 488-497 (In Russ.).Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982. 392 с.Basharin A.V., Novikov V. A., Sokolovsky G. G. Upravlenie elektroprivodami [Management of electric drives]. Leningrad, Energoizdat Publ., 1982. 392 p. (In Russ.)Лурье Б.Я., Энрайт П. Дж. Классические методы автоматического управления / под ред. А.А.Ланнэ. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 640 с.Lurie B. Ya., Enright P. J. Klassicheskie metody avtomaticheskogo upravleniya [Classical methods of automatic control]. Saint Petersburg, BHV-Petersburg Publ., 2004. 640 p. (In Russ.).Schweppe F. Uncertain dynamic systems. Englewood Cliffs; N.J.: Prentice Hall, 1973. 563 с.Schweppe F. Uncertain dynamic systems. Englewood Cliffs; N. J.: Prentice Hall, 1973. 563 p.Куржанский А.Б. Управление и наблюдение в условиях неопределенности. М.: ФИЗМАТЛИТ, 1977. 392 с.Kurzhansky A. B. Upravlenie i nablyudenie v usloviyakh neopredelennosti [Management and observation in conditions of uncertainty]. Moscow, FIZMATLIT Publ., 1977. 392 p. (In Russ.).Черноусько Ф.Л. Оценивание фазового состояния динамических систем. М.: Наука, 1988. 321с.Chernousko F. L. Otsenivanie fazovogo sostoyaniya dinamicheskikh sistem [Estimation of the phase state of dynamical systems]. Moscow, Nauka Publ., 1988. 321 p. (In Russ.).Солодовников В.В. Автоматическое управление и вычислительная техника. М.: Мир, 1999. 495 c.Solodovnikov V. V. Avtomaticheskoe upravlenie i vychislitel'naya tekhnika [Automatic control and computer technology]. Moscow, Mir Publ., 1999. 495 p. (In Russ.).Левин В. И. Структурно-логические методы исследования сложных систем с применением ЭВМ. М.: Наука, 1987. 304 с.Levin V. I. Strukturno-logicheskie metody issledovaniya slozhnykh sistem s primeneniem EVM [Structural and logical methods of studying complex systems using computers[. Moscow, Nauka Publ., 1987. 304 p. (In Russ.).Левин В. И. Оптимальное проектирование в условиях неопределенности. Метод детерминизации // Онтология проектирования. 2013. № 3 (9). С. 41–52.Levin V. I. Optimal'noe proektirovanie v usloviyakh neopredelennosti. Metod determinizatsii [Optimal design under uncertainty. The method of determinization]. Ontologiya proektirovaniya = Design Ontology, 2013, no. 3 (9), pp. 41-52 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.