Дисертації (КІОНС)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Система візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарату(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Золотарьов, Євгеній Олександрович; Бурау, Надія ІванівнаЗолотарьов Є. О. Система візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарату. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології галузь знань (15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі наукового обґрунтування та розроблення методичного і програмно-алгоритмічного забезпечення системи візуалізації руху у складі інтегрованого навігаційного комплексу автономного безпілотного підводного апарата класу міні/мікро. Актуальність теми обумовлена зростанням практичного використання малорозмірних автономних підводних апаратів у задачах гідрографії, інспекції підводних об’єктів, екологічного моніторингу та наукових досліджень, а також необхідністю забезпечення достовірного й інформативного відображення їх навігаційного стану в умовах відсутності глобальних навігаційних супутникових систем. Неможливість використання в підводному середовищі супутникової навігації обумовлює застосування автономних навігаційних засобів, насамперед інерціальних навігаційних систем і гідроакустичних методів визначення місцеположення. Масо-габаритні та енергетичні обмеження автономних безпілотних підводних апаратів (АБПА) міні/мікро класу зумовлюють застосування інерціальних сенсорів із високим рівнем випадкових завад. А компактні гідроакустичні приймачі та передавачі для мініАБПА функціонують на підвищених частотах, що супроводжується зростанням акустичного загасання, зменшенням дальності та обмеженням точності навігаційних вимірювань. Зазначені умови функціонування автономних безпілотних підводних апаратів визначають підвищені вимоги до систем навігації та засобів представлення навігаційної інформації, що зумовлює необхідність комплексного підходу до побудови системи візуалізації руху як складової інтегрованого навігаційного комплексу. У дисертаційній роботі запропоновано, обґрунтовано та розроблено систему візуалізації руху у складі інтегрованого навігаційного комплексу для автономної орієнтації та навігації апарату в різних режимах його руху, передачі-прийому та відображення даних про місцезнаходження і параметри руху автономного безпілотного апарату на пристроях базової станції. Основна частина дисертаційної роботи складається з чотирьох розділів, які присвячені дослідженню методів та засобів визначення, передачі та відображення навігаційних параметрів руху автономного безпілотного підводного апарата в системі візуалізації у складі інтегрованого навігаційного комплексу. У першому розділі виконано аналіз сучасного стану та тенденцій розвитку автономних безпілотних підводних апаратів і систем забезпечення їх руху. Розглянуто класифікацію безпілотних підводних апаратів, основні сфери їх застосування та особливості експлуатації в підводному середовищі. Проаналізовано сучасні інерціальні, гідроакустичні та інтегровані системи навігації, а також методи їх комплексування. Встановлено, що більшість існуючих систем візуалізації орієнтовані на габаритні автономні підводні апарати або дистанційно керовані підводні комплекси та не враховують специфіку міні- і мікро-апаратів. Встановлено, що для цього класу апаратів визначальними чинниками є обмежена точність інерційних вимірювальних модулів на основі мікроелектромеханічних систем, наявність значних часових затримок у гідроакустичному каналі зв’язку, а також відсутність комплексного підходу до поєднання навігаційних алгоритмів і системи візуалізації в межах єдиного навігаційного комплексу. Проведено аналіз попередніх робіт за темою дослідження та обґрунтовано мету і завдання даного дисертаційного дослідження. У другому розділі виконано структурно-функціональний та алгоритмічно-програмний синтез системи візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарата як невід’ємної складової інтегрованого навігаційного комплексу. Запропоновано узагальнену функціональну схему комплексу, що відображає взаємодію навігаційної, керуючої, вимірювальних та інформаційних підсистем, а також системи візуалізації як окремого функціонального модуля. Визначено склад і призначення основних функціональних блоків, уточнено інформаційні потоки між бортовою та наземною частинами комплексу. Обґрунтовано вибір інерціальної навігаційної системи тактичного класу INS-B фірми Inertial Labs, як базового модуля визначення орієнтації, швидкості та координат місцеположення апарата. Розроблено програмно-алгоритмічне забезпечення системи візуалізації з використанням середовища розробки Node-RED. Реалізовано механізми приймання, обробки та передачі навігаційно-телеметричних даних у реальному часі. Створено операторський інтерфейс, який забезпечує відображення траєкторії руху автономного безпілотного підводного апарата на мапі, числових значень координат, складових швидкості, висоти, та кутів орієнтації (курсу, крену і тангажу) з використанням анімованої векторної графіки. Показано, що система візуалізації є невід’ємним елементом інтегрованого навігаційного комплексу, який забезпечує узгоджене відображення навігаційної інформації з різних джерел і дозволяє оператору контролювати коректність навігаційного розв’язку та виконання місії автономного безпілотного підводного апарата. У третьому розділі розроблено математичну модель руху автономного безпілотного підводного апарата за складною траєкторією, зокрема коловою, у горизонтальній площині, що використано для моделювання та аналізу точності визначення інерціальною навігаційною системою місцеположення та навігаційних параметрів апарата. Сформовано еталонні часові реалізації навігаційних параметрів (координат, швидкості, прискорень та орієнтації) для оцінювання точності навігаційних алгоритмів. На основі еталонних параметрів руху сформовано еталонні сигнали гіроскопів і акселерометрів інерційного вимірювального модуля. Виконано імітаційне моделювання автономної роботи інерціальної навігаційної системи з урахуванням випадкових завад, характерних для мікроелектромеханічних сенсорів, та проведено аналітичне оцінювання накопичуваних похибок визначення координат, швидкостей і кутів орієнтації. Показано, що за відсутності зовнішньої корекції похибки інерціальної навігаційної системи мають тенденцію до зростання у часі та призводять до суттєвого спотворення навігаційної інформації й відображуваної траєкторії руху. Окрему увагу приділено аналізу похибок передачі та візуалізації параметрів руху, зумовлених часовими затримками у каналах зв’язку. Установлено, що вплив затримок зростає зі збільшенням швидкості руху апарата та тривалості автономної навігації, що обґрунтовує необхідність їх урахування в загальній структурі навігаційного алгоритму і системи візуалізації. У четвертому розділі розроблено алгоритми зовнішньої корекції інерціальної навігаційної системи АБПА шляхом глибокого комплексування з акустичною навігаційною системою довгої базової лінії. Сформовано модель похибок інерціальної навігаційної системи та модель вимірювань дальностей до локальних донних маяків, що дозволяє формалізувати процес корекції навігаційних параметрів у складі інтегрованого навігаційного комплексу. Реалізовано непрямий дискретний фільтр Калмана з 15-компонентним вектором стану для оцінювання похибок навігації та дрейфів сенсорів без розриву контуру інтегрування первинних даних. Запропоновано структурно-функціональні схеми реалізації навігаційного алгоритму із замкненим контуром корекції. Ефективність алгоритмів перевірено імітаційним та фізичним (на базі модуля INS-B) моделюванням з мережею віртуальних маяків. Результати підтвердили стійкість навігаційного рішення, зменшення накопичення похибок та стабільність розв'язку при зміні умов роботи чи деградації геометрії системи довгої базової лінії. На основі результатів імітаційного та фізичного моделювання виконано аналіз спостережуваності параметрів вектора стану та досліджено вплив конфігурації мережі донних маяків на точність і стійкість навігаційного розв’язку. Показано, що використання вимірювань дальностей до донних маяків забезпечує ефективну корекцію похибок положення і складових швидкості, а також сприяє обмеженню дрейфу кутів орієнтації інерціальної навігаційної системи. Підтверджено коректність відображення траєкторії руху та навігаційних параметрів АБПА в розробленій системі візуалізації, що забезпечує можливість контролю навігаційного стану апарата та виконання поставленої місії. Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному: 1. Вперше запропоновано та обґрунтовано метод побудови системи візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарата, який полягає в застосуванні технології Інтернету речей та комплексного підходу до вирішення завдань орієнтації, навігації, прийому-передачі та відображення даних, що забезпечує визначення, передачу та узгоджене відображення параметрів орієнтації, швидкості та координат місцеположення апарату на пристроях базової станції. 2. Вдосконалено метод визначення параметрів орієнтації, швидкості та координат місцеположення автономного безпілотного підводного апарата інерціальною навігаційною системою шляхом її комплексування з системою довгої базової лінії та використання фільтра Калмана, що забезпечило зменшення накопичення похибок визначення параметрів орієнтації, швидкості та координат місцеположення апарату при наявності інструментальних похибок та випадкових завад інерційних сенсорів. 3. Розроблено метод визначення похибок візуалізації навігаційних параметрів при коловому русі АБПА, що дозволило вперше обґрунтувати залежність точності відображення даних від швидкості руху та затримок у каналах передавання інформації. 4. Набув подальшого розвитку метод моделювання процесу визначення навігаційних параметрів рухомих об’єктів інтегрованим навігаційним комплексом шляхом використання фізичної моделі інерціальної навігаційної системи та формування «віртуальних» дальностей системи довгої базової лінії за координатами ГНСС і відомим місцеположенням маяків, які подавались у фільтр Калмана, в результаті застосування якого підтверджено зменшення накопичення похибок навігаційних параметрів та стабільність навігаційного розв’язку при зміні умов функціонування і деградації геометрії системи довгої базової лінії. Отримані результати мають практичне значення, зокрема, алгоритми та програмне забезпечення для формування еталонних сигналів інерційних сенсорів, алгоритми інтеграції інерціальної навігаційної системи з системою довгої базової лінії, програмне забезпечення для програмної реалізації операторського інтерфейсу системи візуалізації на базі технології Node-RED з модульним поділом функцій обміну, обробки та відображення навігаційної інформації. Усі результати, що виносяться на захист, є новими. Вони неодноразово обговорювалися на всеукраїнських та міжнародних науково-технічних конференціях. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей та 5 тез доповідей конференцій, які повною мірою відображають її зміст.Документ Відкритий доступ Автономний малогабаритний крокуючий робот з вертикальним переміщенням(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Платов, Ілля Михайлович; Павловський, Олексій МихайловичПлатов І.М. Автономний малогабаритний крокуючий робот з вертикальним переміщенням – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології (15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального та важливого науково-практичного завдання розробки та вдосконалення систем керування крокуючих гексаподів для забезпечення їх вертикального руху в обмеженому просторі за рахунок сил тертя. В першому розділі дисертації зроблено огляд та проаналізований сучасний стан та тенденції розвитку наземних робототехнічних засобів, в тому числі роботів вертикального переміщення. Розглянуті основні переваги та недоліки таких засобів, на базі чого було виявлено, що основним недоліком є залежність від дротового зв'язку та обмеженість автономного живлення. Проведено огляд окремого класу - крокуючих роботів, зокрема, багатокінцівкових. Серед розглянутих варіантів виділяються крокуючі гексаподи, оскільки вони мають високий потенціал через їхню прохідність та стійкість при русі, що робить їх потенційно ефективним інструментом для вирішення завдань технічної діагностики, ремонтних робіт, дослідженню, а також задач спеціального призначення у найбільш складних та важкодоступних об'єктах. Розглянуто еволюцію керування крокуючими роботами — від горизонтального руху до вертикального переміщення завдяки силі тертя між паралельними поверхнями. Особливу увагу приділено алгоритмам керування зусиллям та фазами руху кінцівок. Попередні дослідження свідчать, що вертикальне переміщення гексаподів обмежене високою обчислювальною складністю алгоритмів, що перешкоджає роботі в реальному часі та знижує енергоефективність. Також моделі часто ігнорують похибкиприводів і моментні навантаження, що критично для стабільності на нерівних поверхнях. Також зазвичай ідеалізуються умови зчеплення — припускається високий коефіцієнт тертя, нехарактерний для реальних середовищ. Недостатній аналіз змінного тертя та брак адаптивної сенсорики в реальному часі зумовлюють розрив між теоретичними моделями та практичним застосуванням. Таким чином, сучасні підходи потребують подальшого вдосконалення в напрямку підвищення стійкості до невизначеностей та оптимізації обчислювальних витрат для вирішення завдань технічної діагностики, ремонтних робіт, дослідженню, а також задач спеціального призначення у найбільш складних та важкодоступних об'єктах. Виходячи із проведеного огляду виконаних робіт сформовано мету дослідження, яка полягає у вдосконалені системи керування крокуючим гексаподом для реалізації автономного вертикального переміщення за рахунок сили тертя, що виникає внаслідок притискання кінцівок до поверхонь, чим забезпечується утримання платформи гексапода. Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі задачі: розглянути стан проблеми; обґрунтувати необхідність та шляхи модернізації існуючих систем керування малогабаритними крокуючими роботами; провести структурно-функціональний синтез системи керування крокуючого гексапода, обґрунтувати принципи генерації траєкторії руху кінцівок та умови статичної та динамічної стабільності при русі; проаналізувати кінематичні і статичні характеристики крокуючого гексапода під час вертикального переміщення, визначення умов стійкості та допустимих зон контактних взаємодій з опорними поверхнями, встановлення залежності впливу параметрів керування та зовнішніх збурень на стабільність руху; вдосконалити алгоритми генерації траєкторії руху кінцівок, оптимізувати енергоспоживання та підвищити адаптивність за рахунок інтеграції та обробки даних інформації з датчиків; розробити макет крокуючого гексапода та провести експериментальні дослідження з метою перевірки працездатності та ефективності запропонованих алгоритмів керування під час вертикального переміщення в умовах обмеженого простору; впровадити отримані результати. У другому розділі дисертаційного дослідження було проведено комплексний аналіз та синтез систем керування гексаподами для вертикального переміщення. Встановлено, що сучасні багаторівневі системи мають подібний функціонал, проте суттєво відрізняються підходами до формування траєкторій. Обґрунтовано доцільність переходу від складних кривих Безьє до використання простих періодичних функцій (циклоїда, дуга еліпса, трикутна, прямокутна та пилоподібна функції), що дозволило знизити обчислювальне навантаження на мікроконтролер та оптимізувати використання пам'яті при збереженні координат прямокутної траєкторії. Для підвищення надійності робота розроблено двоконтурну систему живлення, яка забезпечує виконання місії навіть при відмові основного джерела шляхом переходу на енергоефективні режими. Особливу увагу приділено експериментальним дослідженням енергоефективності на базі серводвигуна MG995. Встановлено, що при вертикальному русі за рахунок сил тертя трипедальна хода є найбільш енергоефективною: розрахунковий час роботи від акумулятора ємністю 2 А·год складає до 1 години, що у 6 разів перевищує показники хвильової ходи. Водночас виявлено, що хвильова хода забезпечує найвищий рівень статичної стійкості. Аналіз геометричних параметрів руху стопи кінцівки показав, що циклоїдальна траєкторія є енергетично вигіднішою порівняно з еліпсоїдальною та пилоподібною. На основі цих даних розроблено адаптивний алгоритм перемикання типів ходи, який динамічно змінює стратегію руху залежно від стану середовища. В результаті була розроблена трирівнева узагальнена схема системи керування (вимірювальний, аналітичний та виконавчий рівні). Проведено синтез блок-схеми з урахуванням конкретних фізичних модулів, що закладає основу для створення прототипу гексапода та верифікації отриманих теоретичних і розрахункових результатів. У третьому розділі дисертаційного дослідження проведено обґрунтування та розробку математичного апарату для керування вертикальним рухом гексапода. Доведено доцільність використання матриць напрямних косинусів формату 3х3, що дозволило зменшити обсяг використовуваної пам’яті на 14.3% порівняно з класичним методом Денавіта–Хартенберга. Для розв’язання зворотної задачі кінематики впроваджено ітераційний метод Ньютона—Рафсона, який забезпечує універсальність алгоритму для складних конфігурацій кінематичних ланцюгів без необхідності виведення громіздких аналітичних рівнянь. Особливу увагу приділено динамічній стійкості та розподілу навантажень. Встановлено, що зміщення центра мас лише на 0.05 м призводить до зростання моментів у суглобах у 7.3 рази, що критично для малопотужних приводів типу MG-995. Запропоновано метод розділення фаз перенесення кінцівок та підйому платформи, що дозволяє уникнути додаткових інерційних навантажень: чисельні розрахунки показали, що одночасний рух платформи і кінцівок вимагає на 50% вищої нормальної сили притиску та вдвічі більших моментів на серводвигунах. Визначено межу працездатності для обраної бази приводів (1.2 Нм): при нахилі платформи понад 70° виникає ризик зриву через нерівномірний розподіл мас. Вперше застосовано багатокритеріальну Паретооптимізацію для вибору параметрів траєкторій за критеріями часу та енергоспоживання. Отримані Парето-рішення продемонстрували, що дуга еліпса є енергетично ефективнішою та швидшою за циклоїду, проте за суворих габаритних обмежень перешкоди обидві поступаються прямокутній траєкторії. Таким чином, вибір траєкторії було переведено з суто геометричного в площину компромісу між мінімізацією енерговитрат та гарантованою повнотою покриття робочої зони кроку. Виявлено, що гладкі функції траєкторій зменшують імпульс при старті/зупинці у 1.84 рази порівняно з кусково-лінійними, запобігаючи відриву від поверхні. На основі отриманих даних розроблено вдосконалений адаптивний алгоритм, який автоматично перемикає типи траєкторій (циклоїдальна, еліптична або прямокутна) залежно від кінематичних обмежень та необхідної енергоефективності. Додатково запропоновано ресурсозберігаючий алгоритм обробки даних з комбінованої системи зору (ультразвуковий та лазерний далекоміри) для точного позиціонування в реальному часі. У четвертому розділі дисертаційного дослідження представлено результати експериментальної перевірки розроблених моделей та алгоритмів на базі спеціально створеного стенда, що імітує вертикальну шахту (висота 1.25 м, ширина регульована від 0.4 до 0.65 м). Для апробації було розроблено макетний зразок гексапода масою 2.12 кг, оснащений серводвигунами MG-995 (момент до 1.2 Нм) та трирівневою системою керування. Особливу увагу приділено калібруванням: використання кубічних сплайнів при калібруванні приводів дозволило зменшити середню похибку кута повороту серводвигуна до 0.372°, що на 272% точніше за лінійну інтерполяцію. Експериментально підтверджено переваги запропонованого модифікованого способу підйому (розділення фаз переносу кінцівок та руху платформи). Встановлено, що класична трипедальна хода втрачає стійкість при додатковому навантаженні понад 5.66% від повної маси конструкції (2.12 кг) через динамічні сили інерції, тоді як модифікований підхід забезпечує стабільне утримання конструкції з усіма шістьма точками контакту. Хвильова хода продемонструвала найвищу вантажопідйомність, забезпечивши переміщення корисного навантаження масою 19.811% від повної маси конструкції, що у двічі перевищує можливості стандартної трипедальної ходи. В ході дослідження автономності (акумулятор 2 А·год, 3.7 В) виявлено наступні закономірності: найбільш енергоефективним режимом визначено трипедальну ходу з циклоїдальною траєкторією (швидкість приводів 5.2 рад/с). Біпедальна та хвильова ходи скорочують час автономної роботи на 50% та 65% відповідно. Застосування плавних (гладких) траєкторій замість кусково-лінійних дозволяє збільшити час роботи на 20–35% без зміни апаратної конфігурації. Виявлено нездатність ультразвукового далекоміру HC-SR04 працювати в обмеженому просторі через багатократне відбиття хвиль, водночас доведена ефективність лазерного далекоміра VL53L0X, точність яких після калібровки поліноміальною апроксимацією 4-го порядку та фільтрації (осереднення по 15 відлікам) зросла на 99.8%. Незважаючи на апаратні обмеження платформи Arduino Mega 2560 та люфти редукторів, результати статичних тестів у 66.7% випадків підтвердили адекватність розробленої математичної моделі розрахунку контактних сил, що свідчить про готовність алгоритмів до впровадження на більш потужних обчислювальних ядрах (STM32/ESP32). Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: вперше запропоновано спосіб реалізації фази підйому платформи крокуючого гексапода, за рахунок сили тертя, що виникає внаслідок притискання кінцівок до поверхонь, чимзабезпечується утримання платформи гексапода. При такому підході всі кінцівки залишаються в контакті з опорними поверхнями, що підвищує надійність утримання та забезпечує квазистатичну стійкість гексапода під час вертикального переміщення; вперше обґрунтовано адаптивний підхід до формування траєкторій руху кінцівок на основі багатокритеріальної оптимізації за Парето з урахуванням часу виконання руху та енергоспоживання, а також досліджено вплив гладких траєкторних функцій (циклоїдальних та еліптичних) на зменшення інерційних ефектів і запобігання втраті контакту з опорною поверхнею; розроблено та обґрунтовано систему керування вертикальним рухом крокуючого гексапода, що модифікує алгоритми керування рухом за рахунок уточнення геометрії навколишнього простору системою зору із застосуванням недорогих та доступних технічних засобів; запропоновано використання методу визначення контактних сил у системі “гексапод – опорні поверхні” на основі квадратичного програмування, що підвищує надійність вертикального руху та може бути використано на етапі вибору приводів кінцівок. Результати, які були отримані під час дисертаційного дослідження мають практичне значення, яке полягає в розробці функціональної схеми системи керування крокуючим гексаподом; розробці алгоритмів перемикання траєкторій для підвищення адаптивності та енергоефективності; розробці розділеної системи живлення для підвищення надійності у випадку нештатних ситуацій; розробці алгоритмічного та програмного забезпечення для визначення контактних сил та моментів; практична реалізація системи керування гексапода дозволить суттєво підвищити адаптивність та надійність роботи на основі розширення функціональних можливостей системи. Результати дисертаційних досліджень мають практичне впровадження.Документ Відкритий доступ Система управління, орієнтації та навігації автономних безпілотних підводних апаратів на основі мікроелектромеханічних технологій(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Гуриненко, Станіслав Олегович; Бурау, Надія ІванівнаГуриненко С.О. Система управління, орієнтації та навігації автономних безпілотних підводних апаратів на основі мікроелектромеханічних технологій – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології (15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального та важливого науково-практичного завдання вдосконалення систем управління, орієнтації та навігації із застосуванням мікроелектромеханічних технологій для автономного безпілотного підводного апарата класу Міні. У першому розділі дисертації наведено огляд та проаналізовано сучасний стан і тенденції розвитку безпілотних підводних апаратів. Проведено огляд загальних характеристик та розглянуто основні функціональні можливості та завдання, які можуть бути поставлені перед безпілотними підводними апаратами. Показано, що пріоритетним напрямком розвитку морської робототехніки є розвиток автономних безпілотних підводних апаратів. Наведено класифікацію автономних безпілотних підводних апаратів за конструктивною формою. Проаналізовано склад бортового навігаційного обладнання та обладнання, яке забезпечує керування апарата. На основі проведеного огляду розглянуто виконані роботи, які присвячені дослідженню систем орієнтації та навігації, а також проведено огляд робіт за системами управління автономних безпілотних підводних апаратів. На основі огляду та аналізу раніше виконаних робіт з’ясовано, що: напрямок морської робототехніки в області розробки автономних безпілотних підводних апаратів поступово розвивається; поступово модернізується бортове обладнання, тобто відомі пристрої морської підводної навігації оновлюються та переходять на нову елементну базу; досліджуються та розробляються алгоритмічні методи керування. Однак, практично відсутні комплексні роботи та дослідження, які описують поєднання конструктиву апарата та його вплив на керування; не наводяться роботи, які присвячені дослідженню автономних систем визначення просторового положення та місцезнаходження (орієнтації та навігації) із застосуванням мікроелектромеханічних систем та вибором цих систем. Виходячи із проведеного огляду виконаних робіт сформовано мету дослідження, яка полягає у вдосконалені систем орієнтації, навігації та управління автономних безпілотних підводних апаратів для забезпечення виконання багатоцільових завдань та розширення функціональних можливостей апаратів із застосуванням у цих системах МЕМС технологій. Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити наступні завдання: провести огляд стану проблеми; провести чисельне моделювання конструкції апарата та аналіз гідродинамічних характеристик апарата, визначити коефіцієнти сили супротиву та підіймальної сили обраної конструкції апарата; обґрунтувати систему орієнтації та навігації автономного безпілотного підводного апарата, розробити імітаційні моделі датчиків, побудованих на МЕМС технологіях, імітаційну модель інерціальної навігаційної системи, встановити залежності параметрів орієнтації та навігації та їх похибок від напрямку руху; розробити та виконати імітаційне моделювання каналів керування автономного безпілотного підводного апарата за зануренням та за кутом курсу із урахуванням коефіцієнтів сили супротиву та конструктивних параметрів апарата; впровадити отримані результати. Другий розділ дисертаційного дослідження присвячено аналізу об’єкта керування та оцінці гідродинамічного конструктиву апарата. Розроблено конструкцію та створено тривимірні моделі безпілотного підводного апарату класу міні, проведено моделювання їх простого руху та визначено гідродинамічні характеристики моделей. На основі результатів дослідження простого прямолінійного руху обрано одну конструкцію апарата, для якої проведено моделювання складного руху за обраними траєкторіями: коло, розворот та півхвиля, визначено гідродинамічні характеристики моделі. Для обраної конструкції проведено гідродинамічний розрахунок із визначення гідродинамічних коефіцієнтів, геометричних та масогабаритних характеристик апарата, які у подальшому будуть враховуватися при моделюванні системи управління. Третій розділ дисертаційного роботи присвячено дослідженню систем орієнтації та навігації. Обґрунтовано використання безплатформної інерціальної навігаційної системи, та проаналізовано її склад. Розроблено імітаційні моделі чутливих елементів (акселерометра та гіроскопа) обраної системи, проведено їх моделювання з урахуванням характеристик реальних приладів. Встановлено, що похибки моделювання розроблених моделей становлять: для акселерометра від 33% до 50%, в залежності від чутливості прилада, у порівнянні із вихідним сигналом реального акселерометра; для гіроскопа – 16% у порівнянні із вихідним сигналом реального гіроскопа. Розроблено імітаційну модель безплатформної інерціальної навігаційної системи, яка враховує моделі сенсорів, та проведено чисельне моделювання роботи системи. Встановлено функціональні залежності параметрів орієнтації та навігації і їх похибок від напрямку руху автономного безпілотного підводного апарата класу міні на основі МЕМС технологій, аналіз яких свідчить про стабільність роботи системи протягом усередненого часу функціонування апарата. Четвертий розділ дисертації присвячено обгрунтуванню та дослідженню системи процесу управління апаратом із урахуванням параметрів об’єкта. На основі обраної системи управління розглянуто автономний безпілотний підводний апарат як об’єкт управління. Розроблено функціональну схему автоматичного управління. Розроблена схема враховує конструкцію та бортове обладнання апарата. Розглянуто систему рівнянь руху апарата, на основі якої виділено та досліджено канали керування рухом занурення та за кутом курсу. У середовищі Simulink розроблено імітаційні моделі автономного безпілотного підводного апарата та проведено чисельне моделювання. На основі отриманих результатів у розроблену імітаційну модель каналу керування за кутом курсу до якої було введено пропорційно-інтегрально-диференційний регулятор. За результатами проведених досліджень створено та обґрунтовано інформаційні моделі каналів керування зануренням та зміною кута курсу автономного безпілотного підводного апарата. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: набув подальшого розвитку дослідницький підхід, що полягає у комплексному оцінюванні об’єкта та врахуванні його гідродинамічних характеристик і параметрів мікроелектромеханічних сенсорів при вдосконаленні системи орієнтації, навігації та керування автономного безпілотного підводного апарата; встановлено нові функціональні залежності параметрів орієнтації та навігації і їх похибок від напрямку руху автономного безпілотного підводного апарата класу міні на основі МЕМС технологій; створено та обґрунтовано інформаційні моделі каналів керування зануренням та зміною кута курсу автономного безпілотного підводного апарата, які враховують інформацію про геометричні та гідродинамічні характеристики об’єкта, задання потрібних значень параметрів руху та обчислення відповідних траєкторій, формування сигналів керування, інформацію про результати керування та значень відхилення глибини та кута курсу. Отримані результати під час дисертаційного дослідження мають практичне значення, яке полягає у застосуванні методів та підходів у вирішені задач пов’язаних із обґрунтуванням вибору конструкції апарата; застосуванні методики проведення комплексного дослідження апарата; застосуванні імітаційних моделей чутливих елементів (акселерометра та гіроскопа) інерціальної навігаційної системи, які враховують параметри та характеристики реальних датчиків; застосуванні імітаційної моделі безплатформної інерціальної навігаційної системи, яка враховує моделі чутливих елементів та їх характеристики; застосуванні імітаційних моделей каналів управління автономного безпілотного підводного апарата, які враховують конструкційні та масо-габаритні характеристики апарата. Результати дисертаційних досліджень мають практичне впровадження.Документ Відкритий доступ Вдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Паздрій, Ольга Ярославівна; Бурау, Надія ІванівнаПаздрій О.Я. Вдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 174 - Автоматизація, комп’ютерно-інтегровані технології та робототехніка (17 - Електроніка, автоматизація та електронні комунікації). – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна шляхом включення підсистеми багатокласової діагностики у бортову систему контролю вібрації авіаційного газотурбінного двигуна (ГТД) на основі багаторівневої обробки діагностичної інформації. Одним із основних факторів підвищення безпеки польотів та запобігання катастрофічних ситуацій є розробка та вдосконалення існуючих бортових систем керування і контролю авіаційним ГТД. Сучасні системи керування і контролю авіаційних двигунів побудовані за принципом структурного моніторингу (Structural Health Monitoring). Ключовою задачею під час процесу моніторингу є отримання, перетворення та аналіз діагностичної інформації з метою виявлення експлуатаційних пошкоджень двигуна в реальному часі. У роботі обґрунтовано застосування комбінації різних методів аналізу віброакустичних сигналів для реалізації підсистеми багатокласової діагностики у складі бортової системи контролю вібрації ГТД. На основі отриманих діагностичних ознак експлуатаційних пошкоджень та порушень штатних режимів функціонування двигуна, розроблено програмні алгоритми діагностики різних класів порушень експлуатаційних режимів роботи двигуна і пошкоджень роторних елементів на етапі їх зародження. Основна частина дисертаційної роботи складається з чотирьох розділів, які присвячені дослідженню шляхів вдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна. Перший розділ присвячено огляду стану проблеми та обґрунтуванню напрямку досліджень дисертаційної роботи. Описано загальну характеристику авіаційних двигунів, як складної обертової системи. Розглянуто основні небезпечні експлуатаційні несправності роторних елементів двигунів. Особливу увагу було приділено розгляду таких пошкоджень двигунів як втомні пошкодження лопаток робочих коліс ГТД та руйнування валів через розвиток тріщин під впливом згинаючих і скручуючих моментів. Розглянуто основні сучасні методи та напрямки діагностики авіаційних двигунів у процесі експлуатації. Обґрунтовано переваги та можливості застосування вібраційної діагностики ГТД безпосередньо в процесі експлуатації двигуна. Розглянуто типову структуру бортової системи управління і контролю ГТД. Складовою системи управління і контролю ГТД є бортова система контролю вібрації. У розділі приведена загальна характеристика бортових систем контролю вібрації авіаційного двигуна. Показані основні тенденції розвитку автоматичних систем керування і діагностики технічного стану газотурбінних двигунів. Проведено аналіз попередніх робіт за темою дослідження та обґрунтовано мету і завдання даних напрямів дослідження. У другому розділі дисертаційної роботи запропоновано вдосконалення бортової системи управління і контролю ГТД шляхом розширення функціональних можливостей бортової системи контролю вібрацій для забезпечення багатокласової діагностики на основі вже існуючої бортової системи контролю вібрацій двигуна за допомогою включення до її складу підсистеми багатокласової діагностики. Приведено опис та функціональну схему вдосконаленої бортової системи контролю вібрації двигуна. Розглянуто детально призначення та функції, які виконує штатна бортова система контролю вібрації двигуна та які пристрої входять до її складу. Визначено, що для реалізації Підсистеми багатокласової діагностики центральними є питання розробки та обґрунтування методичного, алгоритмічного та програмного забезпечення для ефективного діагностування експлуатаційних порушень чи несправностей роторних елементів двигуна. Обґрунтовано методи обробки діагностичної інформації для такої системи. Визначено, що оскільки вимірювані діагностичні вібраційні сигнали в більшості випадків являються локально чи суттєво нестаціонарними процесами, тому особливу увагу приділено розгляду таких методів аналізу сигналів, які дозволяють виявляти приховані залежності та досліджувати більш тонку структуру сигналу. Було обґрунтовано вибір та розглянуто основні принципи таких методів аналізу сигналів як: Частотночасовий, Біспектральний, Вейвлет-перетворення та Фрактальний аналіз. Приведено методичні аспекти для інтерпретації вібраційних сигналів на основі Фрактального аналізу. У третьому розділі дисертаційної роботи представлено результати моделювання та аналіз тріщиноподібних пошкоджень роторних елементів авіаційного газотурбінного двигуна таких як вал ротора двигуна та лопатка робочого колеса турбіни. Розроблено методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для діагностики початкового тріщиноподібного пошкодження валу ротора двигуна та початкового тріщиноподібного пошкодження лопатки робочого колеса турбіни двигуна. Розроблені та представлені у графічній формі програмні алгоритми діагностування тріщини для валу ротора та лопаток двигуна для реалізації блоків діагностики тріщини валу та діагностики тріщини лопатки, які включені в склад Підсистеми багатокласової діагностики, яка може бути програмно реалізована у вдосконаленій бортовій системі контролю вібрації двигуна. У четвертому розділі дисертаційної роботи представлено результати фізичного моделювання обертової системи з імітацією експлуатаційних порушень та результати обробки, отриманих у ході фізичного моделювання віброакустичних сигналів. Описано фізичну модель, вимірювальну схему для проведення запису віброакустичних сигналів та показано зовнішній вигляд експериментальної установки. Для діагностики кожного класу порушення таких як: дисбаланс; потрапляння сторонніх предметів у компресор силової турбіни двигуна; задирання лопаток компресора силової турбіни розроблено діагностичний програмний алгоритм для його впровадження у Підсистему багатокласової діагностики у складі вдосконаленої бортової системи контролю вібрації двигуна. Представлено результати аналізу ефективності застосування багаторівневого аналізу віброакустичних сигналів для виділення діагностичних ознак та ідентифікації різних експлуатаційних порушень штатних режимів експлуатації ГТД. Усі результати, що виносяться на захист, є новими. Вони неодноразово обговорювалися на міжнародних конференціях. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей, 14 тез конференцій та одне свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір які повною мірою відображають її зміст.Документ Відкритий доступ Тепловізійні системи спостереження безпілотних авіаційних та космічних приладів(2021) Пінчук, Богдан Юрійович; Колобродов, Валентин Георгійович