Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0018

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0018
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка информационно-управляющей системы для автономных подводных транспортных средств нового поколения с элементами искусственного интеллекта
Докладчик
Филаретов Владимир Федорович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время исследование и освоение Мирового океана является одним из приоритетных направлений технического развития многих стран, что обусловлено большим количеством создаваемых и успешно эксплуатируемых подводных коммуникаций (кабелей связи, трубопроводов, антенн и т.д.) и плантаций для разведения морских организмов, а также необходимостью поиска новых месторождений полезных ископаемых и др. Наиболее перспективным способом выполнения различных работ в водной среде является использование необитаемых подводных аппаратов (НПА), позволяющих исключить присутствие человека в опасных условиях.
Однако большинство работ, выполняемых с помощью НПА, требует значительных материальных и временных затрат на организацию работ, использования дорогостоящего оборудования и судов обеспечения, а также задействования большого количества высококвалифицированных специалистов из-за сложности их эксплуатации. Уже сейчас многие исследователи пришли к выводу, что для решения описанных выше задач необходимо создавать многофункциональные автономные робототехнические комплексы нового типа, которые будут обладать интеллектуальными информационно-управляющими системами, позволяющими обеспечивать автоматическое выполнение поставленных задач в условиях неизвестной и непрерывно изменяющейся окружающей среды.
Однако уже сейчас становится ясно, что основной проблемой в процессе создания автономных подводных робототехнических комплексов является разработка их информационно-управляющих систем, которые должны обеспечивать эффективное интеллектуальное управление НПА (в том числе и группой НПА) при выполнении различных технологических операций в неизвестном и постоянно изменяющемся окружении.
Описание исследования

Проект направлен на создание интеллектуальной информационно-управляющей системы (ИИУС) автономными подводными аппаратами (АНПА), которая обеспечит их точное движение в заранее неизвестной обстановке в процессе выполнения задания в том числе в составе группы АНПА. При этом решается две взаимосвязанные задачи. Первая заключается в создании программной архитектуры указанной ИИУС, которая должна быть максимально независима от аппаратных средств АНПА и обеспечивать возможность согласованных действий группы АНПА, оснащенных этой ИИУС. Вторая задача состоит в разработке эффективных алгоритмов управления и обработки информации, которые будут включаться в состав ИИУС и обеспечивать АНПА возможность эффективного выполнения поставленных задач в неизвестном заранее окружении.

В процессе разработки ИИУС применялись методы программной инженерии, позволяющие спроектировать рациональную программную архитектуру, которая обеспечивает простое расширение и переконфигурацию ее функциональных возможностей под конкретный АНПА. Программная архитектура ИИУС представляет собой распределенную систему программных компонентов, работающих в виде отдельных программ и обменивающихся между собой сообщениями универсальной структуры, каждый из которых реализует отдельную функцию ИИУС. Такой подход позволяет простым способом изменять функциональные свойства ИИУС без изменения отдельных компонентов. Для разработки структуры компонентов применялась объектно-ориентированный подход. Это позволило разделить в компонентах функциональную часть и интерфейс обмена данными, что обеспечило аппаратную независимость алгоритмов обработки данных от этих физических интерфейсов. Так как отдельными функциональными компонентами ИИУС, в зависимости от типов АНПА и выполняемых ими задач, могут предъявляться различные требования на вычислительную мощность и скорость обмена данными, то возникает задача рационального выбора аппаратной части бортовой системы управления конкретного АНПА на этапе проектирования. Для решения этой задачи была разработана математическая модель ИИУС АНПА, с помощью которой можно предварительно определить основные характеристики ее работы при выборе определенного набора оборудования.   

Помимо разработки общей программной архитектуры вторым направлением выполнения проекта было создание универсальных алгоритмов обработки навигационной информации, формирования траекторий в неизвестном окружении и алгоритмов управления движением и стабилизации положения АНПА, которые позволят обеспечить точное движение АНПА в неизвестном заранее окружении.

При разработке алгоритмов управления движением АНПА и его стабилизации при работе подводного манипулятора использовались методы линейной и нелинейной теории автоматического управления, методы анализа нелинейных динамических систем. Для разработки алгоритмов управления движением АНПА применялся новый принцип управления динамическими объектами, заключающийся в управлении не только самим объектом, но и программными сигналами, поступающими на вход его системы управления. Это позволяет с помощью простых линейных регуляторов обеспечить точное движение сложным нелинейным многосвязным объектам по пространственным траекториям. Исследования разработанных систем управления и стабилизации проводились как с помощью математического моделирования, так и с помощью натурных экспериментов.

При разработке навигационного алгоритма использовались методы комплексирования данных, поступающих от бортовых датчиков, методы фильтрации данных на основе фильтра Калмана, методы обработки визуальных данных. Особенностью разработанного алгоритма локальной навигации является использование данных, получаемых от видеокамеры, для расчета параметров движения АНПА и коррекции информации о положении и ориентации, рассчитанных на основе данных, полученных от бортовых навигационных датчиков. Это позволяет удешевить систему навигации для АНПА, предназначенных для выполнения операций вблизи подводных объектов.

При разработке алгоритма формирования траекторий движения АНПА использовались методы построения гладких траекторий на основе сплайнов Безье и методы численной оптимизации. Особенностью предложенного алгоритма является то, что он позволяет на основе данных, полученных от бортовых дальномеров, сформировать гладкую траекторию движения АНПА, проходящую на безопасном расстоянии от обнаруженных препятствий. При этом параметры формированных траекторий рассчитываются таким образом, чтобы они имели минимальную кривизну, что позволит обеспечить движения АНПА с максимальной скоростью. 

Результаты исследования

В ходе выполнения проекта были выполнены комплексные научно-исследовательские работы, направленные на решение теоретических проблем, связанных с разработкой интеллектуальных информационно-управляющих систем (ИИУС) НПА, предназначенных для выполнения различных подводно-технических работ в автоматическом режиме в условиях полной или частичной неопределенности с использованием нескольких совместно действующих НПА.

Разработана архитектура ИИУС НПА, состоящая из совокупности взаимодействующих унифицированных компонентов и обеспечивающая простую расширяемость ее функциональных свойств. Создана математическая модель, описывающая совместную работу компонентов, входящих в состав ИИУС. Эта ИИУС позволяет исследовать влияние различных ограничений, накладываемых на параметры компонентов и каналов связи между ними, определяющих качество работы всей ИИУС в целом.

Разработаны походы к реализации каждой подсистемы, входящей в состав ИИУС. В частности, создан и апробирован метод синтеза простых для реализации систем управления (СУ) движением НПА, обеспечивающих высокую динамическую точность при перемещении АНПА по сложным пространственным траекториям. Создан метод построения навигационных систем НПА, использующих данные, поступающие от различных бортовых датчиков НПА и их видеокамер. Разработаны методы синтеза систем, позволяющих увеличивать эффективность выполнения многих важных технологических операций, выполняемых с помощью бортовых манипуляторов. Разработан обобщенный алгоритм диагностирования и аккомодации к дефектам в навигационных датчиках и движителях НПА, позволяющий повысить надежность функционирования НПА. Созданы методы формирования гладких траекторий движения НПА в заранее неизвестном окружении на основе данных,поступающих от их бортовых датчиков, учитывающие динамические и кинематические свойства этих НПА. Разработаны и исследованы подходы к построению распределенных ИИУС группой НПА, выполняющих совместную миссию, позволяющие строить системы с различной архитектурой в зависимости от выполняемой задачи и количества НПА в группе Разработанные в ходе выполнения алгоритмы были реализованы в виде программных компонентов, которые вошли в состав экспериментального образца ИИУС НПА, созданного на основе предложенной в проекте универсальной архитектуры. При этом была обеспечена возможность интеграции нескольких ИИУС в единую систему управления группой НПА, координирующих свои действия при выполнении общей миссии.

Новизна решений, предложенных в ходе разработки ИИУС, заключается в использовании нового принципа управления движением НПА, основанного на управлении не только самими НПА, но и программными сигналами, задающими параметры этих движений; в создании нового метода синтеза систем стабилизации положения НПА при работе его подводного манипулятора; в создании новых методов оперативной диагностики устройств (систем) НПА и методов аккомодации к выявляемым неисправностям, обеспечивающих не только быстрое и точное обнаружение возникающих дефектов, но и устранение их последствий. Преимуществом предложенных решений по сравнению с аналогичными подходами является их ориентация на повышение степени автономности выполнения подводных операций, а также на увеличение скорости их выполнения без снижения точности, что позволяет увеличить производительность и эффективность применения создаваемых НПА.

Практическая значимость исследования
Разработанный в ходе выполнения проекта единый подход к построению интеллектуальных информационно-управляющих систем подводных робототехнических комплексов, содержащих один или несколько НПА, 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.
Кроме того, полученные результаты также могут быть использованы при разработке робототехнических систем различного назначения (наземных, воздушных, промышленных).