Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка информационно-управляющей системы для автономных подводных транспортных средств нового поколения с элементами искусственного интеллекта

Докладчик: Филаретов Владимир Федорович

Должность: Заведующий лабораторией, Заведующий лабораторией ИАПУ ДВО РАН

Цель проекта:
Главной целью проекта является создание новых методов проектирования высокоэффективных автономных автоматических подводных транспортных комплексов нового поколения с существенно расширенными функциональными возможностями и показателями качества, способных выполнять различные подводно-технические работы и задачи в автоматическом режиме в условиях полной или частичной неопределенности с использованием нескольких совместно действующих АНПА, обладающих элементами искусственного интеллекта. Эту цель предполагается достичь посредством создания высококачественных информационно-коммуникационных управляющих систем нового типа, способных быстро формировать и реализовывать программу действий АНПА в процессе реализации поставленных задач и выполнения заданных миссий при непрерывных изменениях окружающей обстановки. Реализация поставленной в проекте цели позволит обеспечить эффективное решение в автоматическом режиме многих задач непрерывного мониторинга любых подводных коммуникаций, состояния окружающей среды вокруг нефте- и газодобывающих платформ, что является особенно актуальным в условиях Арктики, а также выполнение задач, связанных с обнаружением и разработкой полезных ископаемых и проведением аварийно-спасательных работ.

Основные планируемые результаты проекта:
Основная научная задача на решение которой направлен проект заключается в создании новых походов и методов построения интеллектуальных информационно-управляющих систем подводных робототехнических комплексов, в том числе включающих несколько АНПА, которые будут обеспечивать быстрое автономное и качественное выполнение различных подводных операций в условиях неопределенности внешней окружающей среды, а также при наличии ограничений на управляющие сигналы, неконтролируемых внешних воздействий со стороны указанной среды и существенно переменных (часто неопределенных) параметров самих объектов управления.
При этом в ходе реализации основной задачи будут решены следующие подзадачи.
1) АНПА являются сложными многомерными нелинейными динамическими объектами, функционирующими в условиях переменности и неопределенности их параметров, а также наличия существенных взаимовлияний между всеми их каналами управления и неизмеряемых внешних воздействий. Для качественного выполнения поставленных задач в проекте будут разрабатываться новые методы синтеза эффективных адаптивных систем управления движением АНПА по сложным пространственным траекториям с высокой точностью (для исключения столкновений этих АНПА с препятствиями при движении в условиях сложного рельефа дна или среди подводных конструкций) и с высокой скоростью (для уменьшения времени выполнения операций) в условиях неизвестных и переменных параметров этих АНПА и подводных течений, а также при наличии существенных взаимовлияний между всеми их степенями свободы и воздействий внешних не измеряемых возмущений. Отличие указанных систем управления от традиционных будет заключаться в использовании нового принципа управления и согласованного формирования режимов движения АНПА по непрерывно формируемым пространственным траекториям с целью учета ограничений мощности движителей этих аппаратов. В результате будет создана эффективная многоуровневая система управления, обеспечивающая наиболее качественное (высокоточное) движение АНПА на предельно возможных скоростях по произвольным пространственным траекториям в процессе выполнения различных операций и миссий.
2) Одной из важнейших в процессе управления АНПА является задача формирования траекторий их движения, которая существенно усложняется при выполнении АНПА операций в заранее неизвестном окружении и обстановке, например, при движении вдоль дна со сложным рельефом или при обследовании подводных конструкций и сооружений. Для успешного решения этой задачи в проекте будут созданы новые методы формирования траекторий движения АНПА на основе данных, получаемых от их бортовых датчиков (включая бортовые видеокамеры). С помощью разрабатываемых методов будут формироваться оптимальные по различным критериям траектории движения АНПА с учетом их динамических и кинематических свойств для минимизации времени движения, энергетических затрат и т.д..
3) Большая часть технологических операций, выполняемых в подводной среде, предполагает использование манипуляторов (сборка, ремонт, взятие проб и т.д.). При этом в процессе работы подводный манипулятор оказывает на подводный аппарат в режиме его зависания в водной среде силовое воздействие, которое приводит к его смещению относительно объекта работ, что существенно усложняет качественное выполнение поставленных манипуляционных задач. Для решения указанной проблемы в проекте будут созданы методы автоматической стабилизации положения и ориентации аппарата в процессе работы подводного манипулятора. Эти методы будут основаны как на создании движителями аппарата соответствующих компенсирующих силовых и моментных воздействий, так и на последующей незначительной автоматической коррекции траекторий движения рабочих инструментов подводных манипуляторов. По сравнению с существующими методами будут более точно учтены эффекты взаимодействия манипулятора с вязкой средой, что позволит существенно увеличить точность стабилизации аппарата в процессе выполнения им произвольных технологических операций.
4) Важной задачей при автономной работе АНПА является проведение непрерывной диагностики и контроля работоспособности их элементов и систем. Это обеспечивается установкой на их борту специальных информационных систем оперативного диагностирования, позволяющих своевременно обнаруживать неисправности основного оборудования. При этом в случае обнаружения неисправностей, при которых еще возможно выполнение (завершение) операций (миссий), необходимо так автоматически модифицировать управляющие программы АНПА с учетом этих неисправностей, чтобы полностью исключить возникновение аварийных ситуаций. В проекте будут созданы новые методы проектирования этих информационных систем, оснащаемых эффективными алгоритмами интеллектуального параметрического диагностирования, оценивания и оперативного контроля состояния всех подсистем и устройств АНПА, которые смогут работать без знания текущих значений их параметров. Оригинальность этих систем и алгоритмов будет заключаться в том, что они позволят ввести новые критерии и количественные характеристики диагностируемости конкретных устройств. Причем они будут построены на основе параметрических инвариантов, соотношений паритета, логико-динамического подхода, алгебры функций и нечеткой логики при принятии решений о состоянии конкретных устройств, а также при выработке заключений о возникающих в них неисправностях. По сравнению с известными эти системы будут обладать более высокой избирательностью и чувствительностью к возникающим отклонениям от нормальной работы устройств и быстро выявлять возникающие неисправности на ранней стадии до момента выхода из строя диагностируемых устройств и возникновения аварийных ситуаций.
5) Эффективность работы информационно-управляющих систем АНПА во многом определяется типом их программной архитектуры. При этом для упрощения процесса разработки АНПА различных видов и назначения необходимо обеспечить аппаратно-независимые интерфейсы обмена данными между модулями этих информационно-управляющей системы, что позволяет обеспечить быстрый перенос готовых модулей на новую аппаратную часть АНПА, а также обеспечивает взаимодействие между информационно-управляющими системами разных АНПА для реализации стратегии группового управления. В связи с отмеченным в ходе выполнения проекта будут разработаны новые подходы к программной реализации указанных систем, которые позволят реализовать их на типовом вычислительном оборудовании АНПА. Эти подходы обеспечат удобное наращивание функций информационно-управляющих систем АНПА при введении их минимальных модификаций независимо от типа содержащихся на борту аппаратных и вычислительных средств.
6) На заключительном этапе проекта все созданные в ходе его выполнения системы и устройства будут испытаны в реальных условиях морской эксплуатации модернизируемого АНПА, уже имеющегося в распоряжении исполнителей.
В целом реализация всех поставленных в проекте задач позволит обеспечить создание подводных робототехнических комплексов нового поколения, способных выполнять широкий круг технологических задач в автономном режиме. При этом в ходе работ будут получены новые результаты как в области систем управления сложными динамическими объектами, так и в области программной реализации этих систем управления, на которые будут получены патенты и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанный в ходе выполнения проекта единый подход к построению интеллектуальных информационно-управляющих систем подводных робототехнических комплексов, содержащих один или несколько АНПА, функционирующих в условиях неопределенности и существенной переменности параметров внешней среды, позволит создавать реальные универсальные образцы подводной техники нового поколения с принципиально новыми характеристиками и функциональными возможностями, которые смогут успешно заменить человека при выполнении многих важных функций и задач в экстремальных условиях подводного пространства.
Эта многофункциональная подводная робототехника может быть использована для быстрого и качественного экологического мониторинга любых морских акваторий (особенно подо льдом) и трубопроводов, для оценки запасов биоресурсов на дне и в толще воды, для поиска и обследованию затонувших объектов, для участия в подводных поисково-спасательных операциях, для съемки рельефа дна и поддонной структуры с целью картографирования дна, для геологической оценки горных пород и планирования мест для прокладки трубопроводов, кабелей, для строительства и эксплуатации донных сооружений и последующих инспекций (обследования) их технического состояния, для поиска месторождений газа, газогидратов, нефти и других полезных ископаемых, для обследования портовых акваторий, подводных частей судов, находящихся в сложной ледовой обстановке, и прочих морских объектов и сооружений. Роль подводной робототехники в мире со временем будет только возрастать.
В качестве возможных потребителей полученных результатов можно указать холдинги РусГидро, Роснефть, Газпром, российские морские пароходства, организации воспроизводящие морские биоорганизмы и занимающиеся строительством различных гидросооружений, структуры геологической разведки и оценки полезных ископаемых, а также аварийно-спасательные службы (МЧС РФ) и службы мониторинга. Потребителями создаваемой техники и программного обеспечения будут также специализированные организации, занимающиеся созданием новой подводной техники, которые расположены во Владивостоке и других регионах России.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения первого этапа проекта был проведен обзор и анализ современной научно-технической и методической литературы по основным вопросам разработки подводных робототехнических систем и комплексов. Результаты анализа показали, что в настоящее время основное внимание разработчиков подводной робототехники уделяется повышению уровня интеллектуализации АНПА и увеличению автономности выполнения различных технологических операций. Указанные задачи могут быть решены только путем создания новых интеллектуальных ИУС (ИИУС), обеспечивающих автоматический анализ окружающей заранее неизвестной обстановки и формирование на основе этого анализа сигналов управления исполнительными устройствами АНПА, обеспечивающих выполнения поставленных задач.
На основе результатов анализа современной литературы были проведены исследования для выбора и обоснования направлений исследований по разработке ИИУС АНПА. В качестве основных направлений исследований были выбраны:
- создание новых методов синтеза высокоточных робастных СУ, позволяющих обеспечить неизменно высокую точность управления пространственным движением АНПА в условиях неопределенности и переменности его параметров, а также действия внешних возмущений и перекрестных связей между его степенями свободы;
- создание новых методов комплексной обработки информации, поступающей от его бортовых навигационно-пилотажных датчиков и видеокамер, обеспечивающих получение информации об окружении АНПА;
- создание новых методов формирования гладких траекторий движения с учетом динамических и кинематических свойств АНПА;
- разработка новых эффективных методов формирования режимов движения АНПА по пространственным траекториям, обеспечивающих предельно быстрое движение АНПА с сохранением заданной точности этого движения.
Также был выбран базовый подход к синтезу архитектуры ИИУС АНПА и обоснован набор компонентов, входящих в ее состав, позволяющих эффективно реализовать все необходимые для построения интеллектуальной ИУС функции.