Модели, алгоритмы и программные средства. Рубрика в журнале - Подводные исследования и робототехника

Публикации в рубрике (28): Модели, алгоритмы и программные средства
все рубрики
Аппроксимации расчетного спектра нерегулярного морского волнения

Аппроксимации расчетного спектра нерегулярного морского волнения

Буренин А.А., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Чепурин П.И., Чупина К.В.

Статья научная

Для математического описания спектра морского волнения широко применяется группа экспоненциальных спектров и дробно-рациональные аппроксимации. Большинство из них имеет существенные недостатки. В статье рассматриваются методы определения дробно-рациональных аппроксимаций, для которых дробно-рациональная спектральная плотность имеет большую, чем у известных аппроксимаций, разность степеней полиномов знаменателя и числителя, что позволяет устранить недостатки и снизить излишнюю хаотичность имитируемого случайного процесса.

Бесплатно

Исследование точности одномаяковой навигации автономных необитаемых подводных аппаратов

Исследование точности одномаяковой навигации автономных необитаемых подводных аппаратов

А.И. Машошин

Статья научная

Приведены результаты исследования алгоритма одномаяковой навигации (АОН) автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), синтезированного по критерию максимального правдоподобия. В качестве маяка рассматривался необитаемый надводный аппарат (НА). Исследование проводилось путем имитационного моделирования, в процессе которого оценивались характеристики синтезированного алгоритма в зависимости от точности измерения курса и составляющих вектора скорости АНПА, координат НА по данным спутниковой навигационной системы, скорости и времени распространения сигнала между НА и АНПА, а также от скорости и направления течения; траектории движения НА относительно АНПА. Показано, что наибольшее влияние на точность определения места АНПА при применении синтезированного алгоритма оказывает траектория движения НА, а также течение в районе при отсутствии абсолютного лага. При правильном выборе траектории НА и применении абсолютного лага ошибка определения места АНПА соответствует ошибке определения места НА, не возрастая с течением времени.

Бесплатно

Математическая модель устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект

Математическая модель устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект

Кувшинов Г.Е., Герасимов В.А., Копылов В.В., Наумов Л.А., Себто Ю.Г., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И.

Статья научная

Дается описание разрабатываемого в ИПМТ ДВО РАН устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект. Предложена новая схема замещения трансформатора в составе устройства для бесконтактной передачи электроэнергии. Приведены уравнения, описывающие форму токов трансформатора.

Бесплатно

Мониторинг морского дна с применением технологий интеллектуальной обработки данных поисковых устройств на борту автономного необитаемого подводного аппарата

Мониторинг морского дна с применением технологий интеллектуальной обработки данных поисковых устройств на борту автономного необитаемого подводного аппарата

Инзарцев Александр Вячеславович, Матвиенко Юрий Викторович, Павин А.М., Рылов Н.И.

Статья научная

Перенос на борт автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) функций обработки информации обзорно-поисковых систем позволяет во многих случаях радикальным образом сократить время, затрачиваемое роботом на мониторинг морского дна. Для реализации этого в ИПМТ ДВО РАН используется комплексный подход к «интеллектуализации» АНПА, заключающийся в разработке как гибкой агентно-ориентированной архитектуры информационно-управляющей системы роботов, так и алгоритмов функционирования управляющих агентов. В основе используемых алгоритмов лежит принцип интегрирования разнородной информации от бортовых обзорно-поисковых систем, позволяющий повысить вероятность обнаружения подводных объектов. В статье обсуждаются некоторые результаты применения разработанной технологии, реализованной на АНПА серии «Морской технолог», при выполнении реальных морских операций.

Бесплатно

О гравиметрии с борта автономного подводного робота и оценках ее информативности для навигации по карте

О гравиметрии с борта автономного подводного робота и оценках ее информативности для навигации по карте

Киселев Л.В., Костоусов В.Б., Медведев А.В., Тарханов А.Е.

Статья научная

Рассматриваются информационно-вычислительные модели маршрутизации движения автономного необитаемого подводного аппарата-робота (АНПА) при траекторных измерениях и картографировании локального гравитационного поля (ЛГП) и навигации по карте. Основные разделы работы посвящены решению задач маршрутизации движения АНПА при картографировании ЛГП, особенностям гравиметрии с борта АНПА, восстановлению карты аномального поля силы тяжести по данным траекторных измерений, оценкам информативности аномального поля силы тяжести для решения задачи навигации по карте. Обсуждаются алгоритмы привязки измеренного фрагмента поля к эталонной карте. Представлены вероятностные оценки информативности фрагмента поля с учетом усредненных ошибок гравиметрии, картографирования и инерциальной навигации. Полученные оценки основаны на теоретических исследованиях, результатах модельных вычислительных экспериментов и опытных испытаний систем АНПА в натурных условиях.

Бесплатно

О методе оценивания точности работы одномаяковой мобильной навигационной системы подводного аппарата с помощью водного аппарата, оснащенного DGPS

О методе оценивания точности работы одномаяковой мобильной навигационной системы подводного аппарата с помощью водного аппарата, оснащенного DGPS

Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф.

Статья научная

Одним из основных элементов мобильного навигационного комплекса для автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) является гидроакустическая навигационная система с синтезированной длинной базой. Принцип действия данной системы основан на использовании одного навигационного маяка, буксируемого обеспечивающим судном или автономным необитаемым водным (движущимся по поверхности моря) аппаратом (АНВА). При работе системы с помощью модемной гидроакустической связи производится обмен пакетами навигационных данных между АНПА и мобильным маяком и измеряется время распространения акустического сигнала между ними. Навигационная привязка разработанной системы обеспечивается с помощью DGPS, мобильная часть которой установлена на АНВА. Для определения местоположения АНПА используются два вида навигационной информации: информация о дальности до мобильного гидроакустического маяка и данные системы счисления пути АНПА. Для оценки точности навигационного комплекса производится сравнение алгоритмов, основанных на расширенном фильтре Калмана и фильтре частиц. Результаты морских испытаний разработанной гидроакустической навигационной системы с синтезированной длинной базой в составе морского робототехнического комплекса МАРК, включающего АНПА и АНВА, подтверждают ее работоспособность и демонстрируют достаточно высокую точность ее работы.

Бесплатно

О некоторых алгоритмах визуальной навигации автономного необитаемого подводного аппарата с использованием стереоизображений

О некоторых алгоритмах визуальной навигации автономного необитаемого подводного аппарата с использованием стереоизображений

Бобков В.А., Мельман С.В., Толстоногов А.Ю., Щербатюк А.Ф.

Статья научная

Описан метод визуальной навигации автономного необитаемого подводного аппарата по стереоизображениям с реализацией адаптивной методики расчета траектории и 6-ти облачного алгоритма вычисления локальных перемещений с использованием данных от бортовых навигационно-пилотажных датчиков. Метод основывается на реализации подхода, известного как визуальная одометрия. Предлагаемая адаптивная методика оптимизирует размер шага при расчете траектории движения с учетом данных о геометрии сцены, предварительно задаваемой степени перекрытия соседних видов камеры и скорости движения аппарата. Как следствие, время расчета траектории существенно снижается без ущерба достигаемой точности навигации. 6-ти облачный алгоритм вычисления локальных перемещений расширяет классическую схему формирования 3D облаков за счет обработки данных от 3-х соседних позиций. Алгоритм включения в расчетную схему визуального метода дополнительной информации, получаемой бортовой навигационной системой (измерение углов ориентации аппарата), позволил снизить величину накапливаемой ошибки локализации. Приведены оценки эффективности предлагаемых модификаций алгоритма, полученные по результатам вычислительных экспериментов с виртуальными сценами и на реальных данных. Для подготовки виртуальных сцен и измерения ошибок метода использовался ранее разработанный авторами программный имитационный моделирующий комплекс, предназначенный для исследования методов управления АНПА и моделирования его рабочих миссий.

Бесплатно

О параметрических соотношениях гидродинамики и устойчивости движения автономного подводного робота

О параметрических соотношениях гидродинамики и устойчивости движения автономного подводного робота

Киселев Л.В., Медведев А.В.

Статья научная

Рассматриваются динамические свойства автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) в зависимости от их конструктивных и функциональных особенностей. Основное внимание уделяется анализу устойчивости движения по отношению к начальному состоянию системы, параметрам управления и скорости движения. Приводятся результаты моделирования динамических процессов для двух видов АНПА, созданных в ИПМТ ДВО РАН в последние годы.

Бесплатно

О точности идентификации гидродинамических характеристик автономного подводного робота

О точности идентификации гидродинамических характеристик автономного подводного робота

Киселев Л.В., Багницкий А.В.

Статья научная

Гидродинамические свойства автономного подводного робота относятся к числу основных факторов, определяющих качество управления при выполнении пространственных движений. Для идентификации этих свойств наряду с теоретическими моделями динамики используются экспериментальные данные, основанные на обработке результатов траекторных измерений при выполнении реальных работ в море. Постановка задачи приводит к анализу установившихся и переходных режимов движения и оценке гидродинамических характеристик подводного робота на основе корректной математической модели движения и достоверных данных о наблюдаемом движении. Вектор состояния подводного робота содержит набор навигационных данных, данных об угловой ориентации корпуса и силовых воздействиях управляющих органов. Разработанная программная процедура идентификации позволяет оценивать динамические свойства системы и проводить сравнительный анализ с результатами компьютерного моделирования в виртуальной среде.

Бесплатно

Об одном подходе к решению задачи обнаружения подводного источника шумовых сигналов

Об одном подходе к решению задачи обнаружения подводного источника шумовых сигналов

Матвиенко Ю.В., Каморный А.В., Хворостов Ю.А.

Статья научная

Для приемных систем, содержащих комбинированные скалярно-векторные приемники звука, предложена модель обработки данных, обеспечивающая определение углового положения и обнаружение движущегося источника широкополосного шума, основанная на условии стабильности угловых характеристик потока энергии, формируемого источником. Модель обработки основана на вычислении углового распределения суммарных уровней потоков энергии, приходящих из узкого горизонтального сектора. Энергетический детектор выделяет угловые сектора, в которых уровень энергии превышает среднее значение по всему горизонту. При низком соотношении сигнал/помеха модель предполагает предварительную нормализацию спектральных компонент высокого уровня исходного сигнала и его временное усреднение. Модель обработки реализована в компьютерной программе. Приведены примеры обработки программой экспериментальных данных по источнику широкополосного шума при различных соотношениях сигнал/помеха.

Бесплатно

Оптимизация характеристик направленности высокочастотного гидролокатора бокового обзора

Оптимизация характеристик направленности высокочастотного гидролокатора бокового обзора

Золотарв В.В.

Статья научная

При разработке высокочастотных гидролокаторов бокового обзора (ГБО) большое значение, помимо главных параметров - дальности действия и разрешающей способности по углу и по дистанции, имеют свойства диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости. Для формирования диаграммы направленности при ГБО-съемке для расширения зоны обзора обычно используются главный лепесток диаграммы и один-два боковых лепестка. Глубокие «нули» диаграммы направленности, разделяющие главный лепесток и боковые лепестки, приводят к потере эхосигнала на небольших участках ближней зоны обзора. Визуально это проявляется на эхограмме в виде тёмных вертикальных полос, тянущихся вдоль донной линии. Расширение главного лепестка вертикальной ДН можно осуществить уменьшением поперечной апертуры антенны. Таким путем можно устранить «нули» ДН, однако при этом снижается дальность действия ГБО. Проблема может быть решена построением гидролокационных антенн со специфической формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости, в частности, «косекансных» антенн. По сравнению с радиолокационными разработками, в гидролокации помимо законов обратного рассеяния необходимо учитывать гидрологические факторы. К ним относится, прежде всего, затухание звука в воде в зависимости от частоты и дистанции до цели. Для разработки антенн с требуемыми характеристиками используются методы численного моделирования. Модель антенны с диаграммой направленности, подобной «косекансной», выполнена в среде «MATLAB». На основе модели изготовлен рабочий макет в виде экспериментальной антенной секции. Положительные результаты, полученные в процессе испытаний макета, могут быть положены в основу создания эффективных антенн ГБО.

Бесплатно

Особенности навигационного и алгоритмического обеспечения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата

Особенности навигационного и алгоритмического обеспечения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата

Ваулин Ю.В., Костенко В.В., Павин А.М.

Статья научная

В статье представлена система бортового управления и навигации (СБУН), которая обеспечивает режимы движения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТНПА), необходимые при идентификации донных целей, а также инспекции гидротехнических сооружений и корпусов кораблей. Приведены результаты натурных испытаний разработанной системы в составе ТНПА разработки ИПМТ ДВО РАН

Бесплатно

Отладка алгоритмов инспекции подводных трубопроводов на борту АНПА с помощью удаленного высокопроизводительного моделирующего комплекса

Отладка алгоритмов инспекции подводных трубопроводов на борту АНПА с помощью удаленного высокопроизводительного моделирующего комплекса

Инзарцев А.В., Елисеенко Г.Д., Панин М.А., Павин А.М., Бобков В.А., Морозов М.А.

Статья научная

Рассматривается сценарий автоматизированной инспекции трубопроводной инфраструктуры в подводных добычных комплексах с помощью АНПА. Точная дистанция до объекта инспекции определяется на основе анализа видимой формы лазерной линейки, с помощью которой робот подсвечивает трубопровод. Далее эта информация используется для организации прецизионного целенаправленного движения АНПА вблизи объекта инспекции. Представлена схема организации отладки и особенности реализации набора навигационно-управляющих алгоритмов, разработанных для целей инспекции. Отладка ведется с использованием распределенной системы моделирования, которая включает удаленный высокопроизводительный вычислительный кластер, сопряженный с программной средой навигационно-управляющего комплекса (НУК) реального АНПА. На стороне вычислительного кластера решается задача моделирования внешней среды и анализа формы лазерной линейки. В среде НУК функционирует модель АНПА и управляющие агенты, которые используют данные распознавания для организации инспекции. Такая схема отладки позволяет проводить ресурсоемкое моделирование без внесения каких-либо изменений в архитектуру программного обеспечения НУК. Обсуждаются результаты модельных экспериментов по проведению инспекции для различных вариантов размещения трубопровода на донной поверхности.

Бесплатно

Планирование и осуществление действий обследовательского подводного робота на базе поведенческих методов

Планирование и осуществление действий обследовательского подводного робота на базе поведенческих методов

Инзарцев А.В., Павин А.М., Багницкий А.В.

Статья научная

В статье рассматриваются вопросы формирования поведения и описания задания (миссии), а также построения программного обеспечения информационно-управляющей системы (ИУС) обследовательского автономного необитаемого подводного аппарата-робота (АНПА). При создании системы в качестве единой методологической базы на различных уровнях функциональной трехуровневой архитектуры ИУС используются подходы поведенческой робототехники, что обеспечивает нетрудоёмкое наращивание функциональности по мере появления новых задач и аппаратных средств. Библиотека поведений тактического уровня (агентов) составляет основу для декларативного описания миссии, что повышает уровень её абстракции и позволяет осуществлять настройку АНПА под различные типы обследовательских задач. Обсуждаются вопросы реализации и практического использования архитектуры ИУС и библиотеки агентов при решении ряда обследовательских задач.

Бесплатно

Планирование и реализация траекторий движения автономного подводного робота при выполнении мониторинга в акваториях различных типов

Планирование и реализация траекторий движения автономного подводного робота при выполнении мониторинга в акваториях различных типов

Инзарцев А.В., Багницкий А.В.

Статья научная

Малогабаритные автономные подводные аппараты-роботы (АПР) используются для выполнения мониторинга водной среды и донной поверхности в акваториях различных типов. При выполнении таких работ необходимо решать взаимосвязанные задачи по предварительному планированию траектории движения АПР в двумерных районах произвольной формы, а также действиях робота при встрече с неучтенными препятствиями (естественного или искусственного происхождения). В последнем случае речь идёт об организации обхода препятствия или перепланировании заданной траектории движения робота. В сформулированных требованиях к алгоритму предварительного планирования траектории были учтены особенности работы бортового поискового оборудования, а также необходимость реализации алгоритма на судовом вычислительном комплексе и на борту АПР. С использованием этих требований проведен анализ ряда алгоритмов покрытия, применяемых как в наземной, так и в подводной робототехнике. В результате разработан квазиоптимальный алгоритм, который обладает низкой вычислительной ресурсоемкостью. Алгоритм может использоваться как при предварительном планировании траектории (в режиме off-line), так и для её перепланирования на борту АПР в реальном времени. Рассматриваются также алгоритмы автоматического обхода неучтенных препятствий на этапе реализации заданной траектории. Алгоритмы основаны на поведенческом и целеполагающих подходах. Обсуждаются как модельные результаты, так и результаты использования алгоритмов в реальных условиях.

Бесплатно

Подход к выполнению АНПА технологических манипуляционных операций с различными подводными объектами

Подход к выполнению АНПА технологических манипуляционных операций с различными подводными объектами

Коноплин А.Ю., Коноплин Н.Ю., Шувалов Б.В.

Статья научная

Рассмотрен новый подход к решению исследовательских и технологических манипуляционных задач с помощью автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА), оснащаемых многозвенными манипуляторами (ММ). Разработанный подход предполагает построение математических моделей объектов работ с помощью облаков точек, получаемых от бортовых гидроакустических многолучевых 3D сонаров или систем технического зрения. На основе полученных моделей автоматически формируются целевые точки и сложные пространственные траекторий рабочих органов подводных ММ. При этом учитываются требования к выполнению конкретных манипуляционных операций. Кроме того, для определения местоположения и пространственной ориентации известных подводных объектов предлагается использовать их трехмерные модели, подвергающиеся дополнительной обработке и преобразованиям в облака точек. Эти облака совмещаются с облаками точек, принадлежащих реальному подводному объекту. На основе разработанного подхода создано программное обеспечение, позволяющее строить модели поверхности подводных объектов и рассчитывать пространственные траектории движения рабочих органов ММ, установленных на АНПА.

Бесплатно

Построение трехмерной модели морского дна воксельным методом

Построение трехмерной модели морского дна воксельным методом

Бобков В.А., Кудряшов А.П.

Статья научная

Для трехмерной реконструкции подводной сцены используется множественный набор карт глубин, получаемых с помощью стереоизображений. Данные стереоизображения получены откалиброванной видео стереокамерой, для которой известны внутренние и внешние параметры. Для реконструкции используется воксельный подход, подразумевающий перевод имеющихся карт глубин в единое воксельное пространство сцены. Каждый воксель представляет собой значение неявной функции, накапливаемой по мере добавления туда новых видов. Используя диффузное размытие можно получить усредненные значения функции в соседних пустых вокселях. Результирующая поверхность формируется с помощью алгоритма марширующих кубиков. Алгоритмическая база служит повышению вычислительной производительности метода и качеству генерируемой триангуляционной модели. Использование метода индексной карты в виде текстуры позволило избежать многочисленных переборов, что ускорило работу воксельного алгоритма на порядок. Использование разных уровней октантного дерева для диффузного размытия значений неявной функции позволяет быстро и правдоподобно зашивать большие дыры в модели. Рассмотрена вычислительная схема многопроцессорной обработки данных, основанная на реализации двухуровневого параллелизма.

Бесплатно

Применение метода "конечного поворота и смещения" для подводных манипуляционных роботов последовательной структуры со звеньями пантографного типа

Применение метода "конечного поворота и смещения" для подводных манипуляционных роботов последовательной структуры со звеньями пантографного типа

Данилов А.В., Кропотов А.Н.

Статья научная

Рассматривается применение метода «конечного поворота и смещения» в решении обратной задачи кинематики (ОЗК) для подводного манипуляционного робота (МР) последовательной структуры, имеющего звенья пантографного типа. Для решения задачи МР приводится к эквивалентной схеме, в которой каждое звено пантографного типа заменяется на два звена - ведущее и ведомое. С учетом кинематических особенностей звеньев определяются значения максимального угла поворота или максимального смещения для каждой степени подвижности. Согласно методу «конечного поворота и смещения» данные значения соответствуют максимальному приближению конечного звена МР к заданным характеристикам положения и ориентации. По каждой степени подвижности определяются обобщенные координаты в виде сумм максимальных значений поворотов, смещений и малых значений приращений обобщенных координат, используемых для обхода сингулярных точек. При достижении заданной точности полученные таким образом обобщенные координаты принимаются в качестве решения ОЗК.

Бесплатно

Проблемы реализации устойчивых алгоритмов автоматического обнаружения объектов в гидролокаторах освещения ближней обстановки

Проблемы реализации устойчивых алгоритмов автоматического обнаружения объектов в гидролокаторах освещения ближней обстановки

Войтов А.А., Корнеев Ю.А., Хаметов Р.К.

Статья научная

Обнаружение и идентификация подводных объектов средствами гидролокационных систем осуществляются путем обработки сигналов, подверженных воздействию нестационарных и дискретных помех. С этой целью используются функциональные и математические модели, основанные на процедурах обработки сигналов, устойчивых по отношению к внешним помехам различного типа. Речь идет о разработке алгоритмов оценивания параметров гладких реверберационных, точечных и локально-протяженных дискретных помех при отсутствии их достоверных статистических характеристик. В частности, это относится к обнаружению и распознаванию ложных тревог. Задача сводится к построению моделей изменения параметров помех и робастных процедур оценивания их вероятностных характеристик. Решение задачи находится путем категоризации обучающей выборки (процедуры цензурирования с замещением). Общий алгоритм обработки нестационарных гидролокационных изображений содержит ряд частных алгоритмов, в том числе, алгоритмы категоризации, оценивания полей параметров изображений, помехоустойчивого оценивания квантиля, соответствующего заданной вероятности ложной тревоги. Частные алгоритмы, имеющие свои особенности, применяются для решения ряда реальных практических задач.

Бесплатно

Программное обеспечение подготовки и сопровождения миссии АНПА

Программное обеспечение подготовки и сопровождения миссии АНПА

Елисеенко Г.Д., Павин А.М.

Статья научная

В работе описывается разработанный в ИПМТ ДВО РАН комплекс программ, предназначенный для подготовки и сопровождения миссии автономных необитаемых подводных аппаратов. Особенностью данного комплекса является объединение в себе функций поста оператора и навигатора АНПА, что позволяет решать задачи формирования миссии, проведения предстартовой подготовки аппарата к запуску, обеспечивать навигационное сопровождение подводного робота и выполнять функции телеуправления на одном компьютере обеспечения.

Бесплатно

Журнал