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

Публикации в рубрике (38): 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

Использование стримлетной модели для восстановления поля скорости арктических вихрей

Использование стримлетной модели для восстановления поля скорости арктических вихрей

Шупикова А.А., Казанский А.В.

Статья научная

Рассматривается реконструкция трехмерного поля скорости подповерхностных вихрей в Арктическом бассейне с использованием стримлетной модели. Исходные данные скорости, полученные в ходе эксперимента IOEB (Ice-Ocean Environmental Buoy), представлены в виде последовательности вертикальных профилей, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль траектории дрейфа льдины с измерениями ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler).Трехмерное поле скорости вихрей восстанавливается на базе параметрической стримлетной модели путем минимизации среднеквадратичного отклонения модельных и измеренных векторов скорости. Оптимальные параметры модели подбираются с помощью хорошо известных алгоритмов нелинейной оптимизации: симплексного спуска Нелдера-Мида и метода внутренних точек (метод Ньютона). Показаны результаты восстановления поля скорости для нескольких Арктических вихрей с помощью стримлетной модели и приведен сравнительный анализ результатов аппроксимации с доступными скоростными объектными моделями.

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

Исследование характеристик установившихся режимов и динамики привязной системы автономного подводного робота с буксируемым поверхностным модулем радиосвязи

Исследование характеристик установившихся режимов и динамики привязной системы автономного подводного робота с буксируемым поверхностным модулем радиосвязи

Костенко В.В., Мокеева И.Г.

Статья научная

Использование буксируемого поверхностного модуля радиосвязи (ПМР) позволяет организовать высокоскоростной канал связи поста управления с автономным подводным роботом (АПР), а также значительно упростить его навигационное обеспечение. При этом возмущения от кабеля связи, действующие на АПР и ПМР, будут в значительной степени влиять на характеристики движения такой привязной системы. В работе методами компьютерного моделирования исследуются силовые воздействия кабеля связи на буксировке, а также их влияние на движение аппарата в установившихся режимах и по типовым траекториям маневрирования. Для установившихся значений глубины погружения и скорости хода АПР определена длина кабеля связи, обеспечивающая минимальное силовое воздействие от буксировки на аппарат. Предложена комплексная модель системы управления движением подводной привязной системы, учитывающая динамику АПР и кабеля связи. Разработана кинематическая модель поведения ПМР, определяющая его заглубление и гидродинамическое сопротивление при буксировке. Приведены результаты моделирования движения привязной системы по типовым траекториям, характерным для обзорно-поисковых АПР, которые позволяют оценить дополнительные требования к тяговым характеристикам движительно-рулевого комплекса аппарата, а также к необходимому запасу плавучести ПМР.

Бесплатно

Координирование неподвижного глубоководного гидроакустического оборудования методом мультилатерации

Координирование неподвижного глубоководного гидроакустического оборудования методом мультилатерации

Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Панин М.А., Львов О.Ю.

Статья научная

При решении многих задач в условиях глубокого моря возникает необходимость в координировании стационарно размещаемого на дне гидроакустического оборудования (маяков-ответчиков, донных станций и т.п.). К числу методов, обеспечивающих координирование подобных объектов, можно отнести метод мультилатерации. В ИПМТ ДВО РАН разработан программно-аппаратный комплекс, предназначенный для автоматизированного координирования донных маяков-ответчиков и глубоководных гидроакустических станций с использованием метода мультилатерации. Результаты натурных испытаний комплекса подтверждают работоспособность, высокую эффективность и точность координирования стационарных донных объектов с использованием метода мультилатерации по сравнению с методом трилатерации за счёт большего количества измерений дистанций и применения вероятностного подхода к оценке положения объекта. На основе полученных результатов дается оценка преимуществ и недостатков данного способа координирования.

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 методах обеспечения навигации групп АНПА: краткий обзор

О методах обеспечения навигации групп АНПА: краткий обзор

Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк Д.А., Щербатюк А.Ф.

Статья научная

Приведен обзор подходов, предназначенных для решения задач навигации групп АНПА. Даются описания методов навигации на основе асинхронных и синхронных ГАНС, раскрываются особенности таких методов применительно к группам АНПА. Рассмотрены современные подходы, в основе которых лежит идея организации информационного взаимодействия АНПА друг с другом с целью обеспечения навигации группы в целом. Отмечено, что одним из приоритетных является подход, предполагающий наличие в группе одного или нескольких АНПА, оснащенных полным комплектом навигационных датчиков с целью высокоточного определения их местоположения. Относительное положение остальных аппаратов в группе вычисляется на основе дальностей до выделенных АНПА. Обсуждены вопросы применения автономных необитаемых водных аппаратов, выполняющих функцию мобильных маяков, для навигации групп АНПА и алгоритмы формирования их траекторий для повышения точности навигации группы АНПА. Раскрываются достоинства и недостатки каждого из подходов.

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 некоторых алгоритмах решения задачи патрулирования подводной среды с помощью группы взаимодействующих АНПА

О некоторых алгоритмах решения задачи патрулирования подводной среды с помощью группы взаимодействующих АНПА

Спорышев М.С., Щербатюк А.Ф.

Статья научная

Рассматривается задача патрулирования области в подводной среде с помощью группы автономных необитаемых подводных аппаратов. Отмечаются проблемы, которые делают задачу вычислительно сложной и недоступной для точных методов оптимизации. Исследован приближенный метод, получивший в последние годы большую популярность, - обучение с подкреплением. Процесс патрулирования сформулирован в виде марковского процесса принятия решений. Рассмотрена децентрализованная стратегия, допускающая обмен информацией между аппаратами с возможной потерей данных и учитывающая сложности сетевого взаимодействия в подводной среде. Исследованы алгоритмы на основе методов обучения с подкреплением и проведен их сравнительный анализ. Описаны результаты моделирования работы предложенных алгоритмов в среде OpenAI gym.

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

О точности определения координат подводного модуля на основе измеренных параметров движения буксируемой системы

О точности определения координат подводного модуля на основе измеренных параметров движения буксируемой системы

Костенко В.В., Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Львов О.Ю.

Статья научная

Буксируемый подводный модуль (БПМ) эффективно используется для решения задач, связанных с координированием подводных объектов, местоположение которых подлежит уточнению в процессе их детального обследования. При этом большое значение имеет точность определения координат самого буксируемого модуля относительно судна-буксировщика. Использование гидроакустических навигационных средств, в частности систем с ультракороткой базой (ГАНС УКБ), ограничено вследствие помех, влияющих на качество сигналов в приемной антенне. Альтернативой служит метод определения координат БПМ на основе данных траекторных измерений параметров буксируемой системы. К числу последних относятся расчетные значения параметров кабеля связи в установившихся режимах буксировки, значения путевой скорости и путевого угла буксировщика, а также измеренные значения длины кабеля, глубины погружения и курса БПМ. В работе дан сравнительный анализ различных вариантов вычислительных алгоритмов, позволяющих получить оценки точности определения координат БПМ в различных режимах стационарной буксировки и при наличии сбоев в работе навигационных средств.

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

Оценка ошибок корреляционно-экстремальной навигации по карте аномалий силы тяжести на основе траекторных измерений с борта автономного подводного робота

Оценка ошибок корреляционно-экстремальной навигации по карте аномалий силы тяжести на основе траекторных измерений с борта автономного подводного робота

Дунаевская К.В., Киселев Л.В., Костоусов В.Б., Тарханов А.Е.

Статья научная

Оценки точности подводной навигации на основе данных гравиметрических измерений с борта автономного подводного робота непосредственно связаны с вопросами картографирования аномалий поля силы тяжести (АСТ) с помощью высокоточных малоразмерных гравиметров. В работе продолжены исследования, направленные на повышение точности навигации по карте АСТ с возможностью реализации алгоритмов навигационной коррекции в реальном времени. Для решения задачи исследован новый метод оценки ошибок корреляционно-экстремальной навигации, основанный на анализе отношения главного и бокового пиков корреляционного функционала. Особенность предлагаемого метода, в отличие от известного байесовского подхода, заключается в возможности его использования при реализации бортовых алгоритмов, а также и при предварительной оценке информативности карты поля для планирования маршрутов. Результаты вычислительных экспериментов показывают, что при определенных условиях исследуемая оценка близка к расчетной байесовской оценке.

Бесплатно

Журнал