Математическое моделирование траекторного управления движением подводного бионического робота-разведчика типа «каракатица»

Цель исследования. Разработка и реализация алгоритма траекторного управления автономного необитаемого подводного аппарата бионического типа каракатица, предназначенного для проведения разведывательных операций, боевого охранения надводных и подводных средств военно-морского флота.

Методы. Представлена конструкция и принцип действия бионического подводного робота типа каракатица. Проектирование трехмерной модели робота-каракатицы для военной разведки проводилось посредством использования программного пакета SolidWorks. Рассмотрена расчетная динамическая схема и представлена математическая модель движения подводного плавающего робота, реализованная в пакете Mathcad. Движение робота обеспечивается волнообразными перемещениями эластичных боковых плавников, упирающимися на водную среду и формирующими тяговые усилия в требуемом направлении. Методами компьютерного математического моделирования доказана адекватность разработанной математической модели подводного робота и отработан алгоритм траекторного управления движением объекта по заданной траектории с требуемой скоростью.

Результаты. Система автоматического управления траекторным движением рассмотрена на примере движения робота в горизонтальной плоскости с выходом на заданную прямолинейную траекторию и поддержания требуемого режима продольного движения с заданной скоростью. Для этого были сформированы каналы управления силами тяги, создаваемыми волнообразными движениями боковых плавников, по угловой и ортогональной ошибкам. Подобраны коэффициенты регуляторов, обеспечивающие асимптотическую устойчивость системы и требуемое качество переходных процессов.

Заключение. Разработанный и реализованный алгоритм траекторного управления движением подводного бионического робота типа каракатица из различных начальных положений по заданной траектории показал хорошую адекватность и высокую эффективность, демонстрируя устойчивость и обеспечивая требуемые показатели качества переходных процессов.

1. Необитаемые подводные аппараты: состояние и общие тенденции развития. URL: https://www.electronics.ru/journal/article/286.

2. Бочаров Б.Л. Необитаемые подводные аппараты: состояние и общие тенденции развития // Электроника: наука, технология, бизнес. 2009, №7(97): 62-69.

3. Развитие малых и средних автономных необитаемых подводных аппаратов на основе бионических (рыбоподобных) принципов движения для решения задач подраз- делений специального назначения ВМФ РФ / С.Ф. Яцун, В.И. Королёв, В.Е. Бондырев, Б.В. Лушников // Известия ЮФУ. Технические науки. 2019, 1(203): 98-109.

4. Агеев М.Д. Автономные подводные роботы. Системы и технологии. М.: Наука, 2005. 400 с.

5. Гафуров С.А., Салмина В.А. Классификация автономных необитаемых подводных аппаратов // Перспективные системы и задачи управления: матер. одиннадцатой Всеросс. науч.-практ. конф.; в 2 т. Ростов-на-Дону, 2016. Т. 1. С. 110-128.

6. Киселев Л.В., Медведев А.В. Сравнительный анализ и оптимизация динамических свойств автономных подводных роботов различных проектов и конфигураций // Подводные исследования и робототехника. 2012, 1 (13): 24-35.

7. Clair. Multi-UUV Missions Using Ranger MicroUUVs / Bryan Schulz, Brett Hobson, Mathieu Kemp, Jim Meyer, Ryan Moody, Heather Pinnix, Mathew St. // Nekton Research, LLC. 4625 Industry Lane Durham, NC 27713.

8. Madeleine: An agile AUV propelled by flexible fins. URL: https://www.researchgate.net/publication/229428877_Madeleine_An_agile_AUV_propelled_by_flexible_fins.

9. Mason R.J., J. W. Burdick Experiments in Carangiform Robotic Fish Locomotion // Proc. of the 2000 ICRA, 2000, pp. 428-435.

10. Nonlinear Control Methods for Planar Carangiform Robot Fish Locomotion / K.A. Morgansen, V. Duindam, R.J. Mason, J.W. Burdick // Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2001. pp. 427-434.

11. An Amphibious Autonomous Robot. URL: https://www.researchgate.net/publication/2961702_AQUA_An_amphibious_autonomous_robot.

12. Underwater floating robot-fish: a comparative analysis of the results of mathematical modelling and full-scale tests of the prototype / S. Jatsun, B. Lushnikov, E. Politov, S. Knyazev // MATEC Web of Conferences. 2017, 02014.

13. Конструктивные особенности бионического робота-рыбы / С.Ф. Яцун, Б.В. Лушников, К.Г. Казарян, Л.Ю. Ворочаева, Ворочаев А.В. // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии. 2017, 2(23): 94-102.

14. Autonomous Underwater Vehicle “Cuttlefish”//Marine Technology Reporter, May-June 2005, P. 51-53.

15. Филаретов В.Ф., Лебедев А.В., Юхимец Д.А. Устройства и системы управления подводных роботов. М.: Наука, 2005. 272 с.

16. Политов Е.Н., Лушников Б.В., Яцун С.Ф. Управление рыбоподобным робото-техническим устройством для мониторинга объектов в гидросфере // Перспективные системы и задачи управления: материалы одиннадцатой Всероссийской научно-практической конференции "Управление и обработка информации в технических системах". Ростов-на-Дону, 2016. С. 208-222.

17. Porez M., Boyer F., Ijspeert A.J. Improved light hill fish swimming model for bioinspired robots: Modeling, computational aspects and experimental comparisons // Int. J. Robot. Res. 2014;33(10):1322-41.

18. Yuh J. Design and control of autonomous underwater robots: A survey // Autonomous Robots. 2000. 8(1): 7-24.

19. Мирошник И.В., Шалаев А.Н. Управление траекторным движением автономных роботов // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Информационные, вычислительные и управляющие системы. 2002, 6: 237-242.

20. Мирошник И.В., Фрадков А.Л., Никифоров В.О. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. СПб.: Наука, 2000. 549 с.