АННОТИРОВАННЫЙ ОТЧЕТ ПО ПРОЕКТУ
Соглашение №14.A18.21.0283 от «27» июля 2012 г.
(с учетом дополнительного соглашения от «18» марта 2013 г. № 1)
Тема: «Разработка интеллектуального автономного необитаемого транспортного комплекса, включающего поверхностный и подводный роботы, предназначенного для решения широкого круга задач освоения и исследования Мирового океана»
Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет»
Ключевые слова: транспортные средства; автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА); автономный необитаемый водный аппарат (АНВА); система управления; навигационная система.
- Цель проекта
1.1. Формулировка задачи / проблемы, на решение которой направлен реализованный проект (2-3 предложения).
Основной проблемой, на решение которой направлен данный проект, является развитие подходов и методов проектирования комплексов автономных необитаемых многоцелевых морских транспортных средств нового поколения, оснащенных интеллектуальными системами управления и навигации.
1.2. Формулировка цели реализованного проекта, места и роли результатов проекта в решении задачи / проблемы, сформулированной в п. 1.1 (2-3 предложения).
Целью данного проекта является проведение комплексных исследований в рамках создания специальных автоматических и телеуправляемых транспортных средств нового поколения с элементами искусственного интеллекта. Указанные средства, включающие автономный необитаемый подводный и водный (движущийся по поверхности водной акватории) аппараты (АНПА и АНВА), предназначены для решения широкого круга задач в толще воды или вблизи дна.
- Основные результаты проекта
2.1. Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности, характеристики созданной научной продукции). Указание основных характеристик созданной научной продукции (при наличии научной продукции).
Впервые в России разработан морской автономный робототехнический комплекс /МАРК/, включающий АНПА и АНВА. Данный комплекс по основным характеристикам не уступает современным зарубежным аналогам, (комплекс на основе АНПА Bluefin и автономного каяка в Массачусетском технологическом институте, АНВА ROAZ и АНПА MARES в Лиссабонском техническом институте), а по возможностям мобильной навигации превосходит эти образцы. Выполнен патентный поиск существующих систем и устройств аналогичного назначения.
Разработаны и исследованы алгоритмы формирования траектории движения мобильного гидроакустического маяка, обеспечивающие минимизацию ошибки определения местоположения АНПА. Для обеспечения высокой точности навигации АНПА мобильному маяку на каждом такте работы гидроакустической навигационной системы /ГАНС/ следует находиться в такой позиции, которая позволяла бы значительно уменьшить эллипс неопределенности. Максимальному уменьшению области неопределенности соответствует такой алгоритм формирования траектории движения мобильного маяка, при котором в каждый момент излучения навигационного сигнала он находится на большой оси эллипса ошибок.
Для реализации данного подхода, АНВА, осуществляющий транспортировку мобильного маяка, должен периодически по гидроакустическому каналу связи получать от АНПА пакет данных, включающий оценку его координат, соответствующую текущему моменту времени, числа, описывающие ковариационную матрицу ошибок определения координат, а также текущие курс и скорость движения АНПА. На основе этих данных можно спрогнозировать местонахождение АНПА в последующий момент времени. Элементы ковариационной матрицы позволяют определить ориентацию эллипса неопределенности.
Используя оценку местоположения АНПА и найденную ориентацию большой оси эллипса ошибок, можно определить на плоскости прямую, находясь на которой мобильный маяк позволит выполнить эффективное сжатие эллипса неопределенности местонахождения АНПА. Поскольку с увеличением расстояния между АНПА и маяком ошибка определения наклонной дальности возрастает, исследован вопрос определения горизонтальной дистанции между ними, для которой дисперсия ошибки определения этой дистанции минимальна. Получено выражение для горизонтального удаления маяка от АНПА, минимизирующее дисперсию ошибки определения горизонтальной дальности.
Рассмотрена задача навигации АНПА на основе информации от датчиков бортовой автономной навигационной системы и дальностей до одного мобильного гидроакустического маяка, который транспортируется АНВА. Предложен подход, в котором на предварительном этапе определяются начальное местоположение АНПА и эффективная скорость звукового сигнала в воде, а затем в процессе выполнения миссии для оценивания координат подводного аппарата используется алгоритм на основе фильтра Калмана.
Выполнено моделирование работы алгоритма формирования траектории движения мобильного гидроакустического маяка для случая равномерного прямолинейного движения АНПА на постоянной глубине. В процессе моделирования измерения наклонной дальности между АНПА и маяком и измеряемые параметры движения АНПА искажались нормально распределенным шумом. Полученные результаты моделирования подтверждают достаточно высокую точность определения координат АНПА.
Разработан моделирующий программный комплекс с графическим интерфейсом для настройки систем и алгоритмов управления АНПА и АНВА. Проведение всестороннего тестирования работы АНПА и АНВА с использованием созданного моделирующего комплекса.
Разработана методика и полностью успешно выполнены морские испытания автономного робототехнического комплекса, включающего поверхностный и подводный аппараты, которые подтвердили его работоспособность и перспективность. Морские испытания проводились в бухте Алексеева Японского моря в районе острова Попова вблизи г. Владивостока (координаты центра района - 42˚ 59' северной широты и 131˚ 43,4' восточной долготы). Экспедиционные работы выполнялись в период с 22 августа по 20 сентября 2013 года.
2.2. Описание новизны научных результатов.
В настоящее время все большее число ставящихся перед АНПА задач требуют от обеспечивающего его работу навигационного комплекса высокой мобильности. Существующие традиционные методы навигации АНПА строятся на базе бортовой системы счисления пути (ССП). Недостатком работы ССП является постепенное накопление ошибок в определении местоположения АНПА. Эти ошибки могут составлять от нескольких десятков до сотен метров за час работы системы. В результате ССП не способна самостоятельно обеспечить высокую точность навигации АНПА при выполнении достаточно продолжительных миссий. Всплытие АНПА на поверхность для уточнения местоположения при помощи системы спутникового позиционирования является слишком затратным во временном и энергетическом плане.
Одним из подходов к созданию мобильного навигационного комплекса для АНПА является использование гидроакустических навигационных систем с мобильной сетью маяков. Однако стоимость таких систем и их эксплуатации высока. Другим подходом является разработка гидроакустических навигационных систем с синтезированной длинной базой (ГАНС СДБ), которые используют единственный мобильный навигационный маяк.
Полученные в процессе выполнения проекта результаты являются новыми и имеют важное прикладное значение:
- разработан метод навигации АНПА при помощи одного мобильного гидроакустического маяка, включающий в себя новый способ формирования и обработки навигационной информации для определения неизвестного начального местоположения АНПА, основанный на специальным образом организованном движении маяка относительно неподвижного АНПА, а также алгоритм на основе фильтра Калмана, позволяющий обеспечить с необходимой точностью навигацию АНПА при его движении по произвольной траектории в процессе выполнения миссии.
- впервые предложен метод формирования траектории движения мобильного гидроакустического маяка, основанный на решении задачи минимизации ошибки оценивания местоположения АНПА путем использования информации о дальности между АНПА и маяком в точках формируемой траектории, а также текущей ковариационной матрицы ошибок определения местоположения АНПА.
2.3.Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового уровня.
В последние годы широкие исследования в области создания мобильных навигационных систем для позиционирования НПА проводятся в Массачусетском технологическом институте, Вудсхолском океанографическом институте, техническом университете Порто и других ведущих в области подводной робототехники организациях. Однако до сих пор нет законченных работающих версий мобильных навигационных систем для АНПА и функционирующих комплексов подводных и водных аппаратов. Полученные в рамках данного проекта результаты в основном сопоставимы, а в некоторых моментах превосходят аналогичные результаты, полученные ведущими в данной области зарубежными организациями.
- Назначение и область применения результатов проекта
3.1. Описание областей применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут или уже используются полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).
- Съемка рельефа дна и поддонной структуры с целью картографирования дна, планирования прокладки трубопроводов, кабелей, строительства донных сооружений.
- Поиск месторождений газа, газогидратов, нефти и прочих полезных ископаемых.
- Обследование донных сооружений, магистральных трубопроводов, подводных кабелей, портовых акваторий и т.д.
- Оценка запасов на дне и в толще воды биоресурсов.
- Участие в подводных поисково-спасательных операциях, поиск затонувших объектов.
- Экологический мониторинг.
- Выполнение работ и исследований в мелководных (недоступных для судов) акваториях.
3.2. Перспективы практического применения и коммерциализации результатов проекта
Полученные результаты войдут в новые разделы учебных курсов «Системы навигации и ориентирования подводных роботов», «Системы технического зрения подводных роботов» и «Системы программного управления подводных роботов», а также будут использованы при формировании новых курсовых и дипломных работ. На основе полученных результатов планируются публикации в реферируемых журналах.
- Перспективы развития исследований
Краткая информация о перспективах развития выполненного в ходе выполнения проекта исследования.
1) Информация о том, насколько участие в ФЦП способствовало формированию новых исследовательских партнерств. Участвует ли научный коллектив в проектах по 7-й рамочной Программе Евросоюза (с указанием названия проектов и перечня партнеров по ним).
2) Краткая информация о проектах научного коллектива по аналогичной тематике.
3) Информация о том, сотрудничество с какими странами и исследовательскими центрами может способствовать наибольшей отдаче для развития в России технологий в области исследования, а также для выхода российской продукции на региональные и глобальные рынки.
Создание на базе разрабатываемой транспортной системы, включающей автономные необитаемые подводный и водный аппараты (АНПА и АНВА), специализированных комплексов, наделенных элементами искусственного интеллекта, для выполнения различных подводно-технических работ и технологических операций, обеспечивающих решение задач исследования и освоения Мирового океана, является перспективой развития данного исследования. Возможность автономной эксплуатации указанных комплексов без непосредственного присутствия человека в районе работ позволит отказаться от использования судов и существенно снизит стоимость выполнения морских работ, что делает данные комплексы коммерчески привлекательными.
- Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий
Закреплены следующие специалисты:
Зуев Александр Валерьевич, 15.02.1985 года рождения, принят на должность доцента на кафедру автоматизации Инженерной школы ДВФУ.
Дубровин Федор Сергеевич, 08.03.1987 года рождения, принят на должность научного сотрудника в лабораторию необитаемых подводных аппаратов Инженерной школы ДВФУ.
Туфанов Игорь Евгеньевич, 27.08.1988 года рождения, принят на должность научного сотрудника в лабораторию необитаемых подводных аппаратов Инженерной школы ДВФУ.
Гой Владислав Александрович, 29.01.1990 года рождения, принят на должность инженера в лабораторию необитаемых подводных аппаратов Инженерной школы ДВФУ.
Толстоногов Антон Юрьевич, 27.09.1990 года рождения, принят на должность инженера в лабораторию необитаемых подводных аппаратов Инженерной школы ДВФУ.
Руководитель проекта – Щербатюк А.Ф.