Система управління, орієнтації та навігації автономних безпілотних підводних апаратів на основі мікроелектромеханічних технологій

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБурау, Надія Іванівна
dc.contributor.authorГуриненко, Станіслав Олегович
dc.date.accessioned2024-06-18T07:46:15Z
dc.date.available2024-06-18T07:46:15Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractГуриненко 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.
dc.description.abstractotherGurynenko S.O. System of control, orientation, and navigation of autonomous unmanned underwater vehicles based on microelectromechanical technologies – qualifying scientific work manuscript Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy in the field of 151 – Automation and Computer-Integrated Technologies (15 – Automation and Instrument Engineering). – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute," Kyiv, 2024. The dissertation is dedicated to addressing scientific and technical challenges related to the application of microelectromechanical systems and technologies in the development of control, orientation, and navigation systems for autonomous unmanned underwater vehicles. The first chapter of the dissertation provides an overview and analysis of the current state and trends in the development of unmanned underwater vehicles. An overview of general characteristics and main functional capabilities and tasks that can be assigned to unmanned underwater vehicles is conducted. It is shown that the priority direction in the development of marine robotics is the advancement of autonomous unmanned underwater vehicles. The classification of autonomous unmanned underwater vehicles by structural form is presented. The composition of onboard navigation equipment and equipment providing control of the apparatus is analyzed. Based on the conducted review, previous research dedicated to the investigation of orientation and navigation systems is examined, as well as an overview of works on control systems of autonomous unmanned underwater vehicles. Based on the review and analysis of previous works, it is found that: the direction of marine robotics in the development of autonomous unmanned underwater vehicles is gradually evolving; the onboard equipment is gradually modernizing, meaning known marine navigation devices are being updated and transitioned to new hardware; algorithmic control methods are being researched and developed. However, there is practically no comprehensive work or research describing the combination of apparatus design and its impact on control; works dedicated to the study of autonomous spatial positioning and location systems (orientation and navigation) using microelectromechanical systems (MEMS) and the selection of these systems are not provided. Based on the conducted review of previous works, the research goal is formulated, which aims to improve the orientation, navigation, and control systems of autonomous unmanned underwater vehicles to ensure the accomplishment of multifunctional tasks and expand the functional capabilities of the apparatus using MEMS technologies in these systems. To achieve the research goal, the following tasks need to be addressed: conduct a review of the problem status; perform numerical modeling of the apparatus design and analysis of hydrodynamic characteristics of the apparatus, determine the coefficients of resistance force and buoyancy force of the selected apparatus design; justify the orientation and navigation system of the autonomous unmanned underwater vehicle, develop simulation models of sensors built on MEMS technologies, simulation model of an inertial navigation system, establish dependencies of orientation and navigation parameters and their errors on the direction of motion; develop and conduct simulation modeling of control channels of the autonomous unmanned underwater vehicle for depth and course angle considering resistance force coefficients and apparatus design parameters; implement the obtained results. The second chapter of the dissertation is dedicated to the analysis of the control object and the assessment of the hydrodynamic design of the apparatus. The design and creation of three-dimensional models of a mini-class unmanned underwater vehicle have been developed, modeling their simple motion, and determining the hydrodynamic characteristics of the models. Based on the results of the study of simple straight-line motion, one apparatus design was selected for which modeling of complex motion along selected trajectories was performed: circle, turn, and half-wave, determining the hydrodynamic characteristics of the model. For the selected design, hydrodynamic calculations were carried out to determine the hydrodynamic coefficients, geometric, and mass-dimensional characteristics of the apparatus, which will be taken into account in further control system modeling. The third chapter of the dissertation is devoted to the study of orientation and navigation systems. The use of strapdown inertial navigation system is justified, and its composition is analyzed. Simulation models of sensitive elements (accelerometer and gyroscope) of the selected system have been developed, and their modeling has been conducted taking into account the characteristics of real devices. It has been established that the modeling errors of the developed models are as follows: for the accelerometer, they range from 33% to 50%, depending on the sensitivity of the device, compared to the output signal of a real accelerometer; for the gyroscope, it is 16% compared to the output signal of a real gyroscope. An simulation model of a strapdown inertial navigation system has been developed, which takes into account sensor models, and numerical modeling of the system operation has been conducted. Functional dependencies of orientation and navigation parameters and their errors on the direction of motion of a mini-class autonomous unmanned underwater vehicle based on MEMS technologies have been established, the analysis of which indicates the stability of the system operation during the average functioning time of the apparatus. The fourth chapter of the dissertation is dedicated to the justification and investigation of the control process system considering the object parameters. Based on the selected control system, the autonomous unmanned underwater vehicle is considered as the object of control. A functional scheme of automatic control has been developed, taking into account the structure and onboard equipment of the vehicle. The system of equations of motion of the vehicle is considered, based on which channels of control for depth and heading angle motion are identified and investigated. Simulation models of the autonomous unmanned underwater vehicle have been developed in the Simulink environment, and numerical modeling has been conducted. Based on the obtained results, an simulation model of the heading control channel was developed, to which a proportional-integral-derivative controller was introduced. Based on the research results, informational models of depth and heading angle control channels of the autonomous unmanned underwater vehicle have been created and justified. The scientific novelty of the obtained results lies in the following: the research approach has further developed, involving a comprehensive assessment of the object and considering its hydrodynamic characteristics and parameters of microelectromechanical sensors in improving the orientation, navigation, and control system of an autonomous unmanned underwater vehicle. New functional dependencies of orientation and navigation parameters and their errors on the direction of movement of the autonomous unmanned underwater vehicle of the mini class based on MEMS technologies have been established. Information models of immersion control channels and change of course angle of the autonomous unmanned underwater vehicle have been created and justified, taking into account information about the geometric and hydrodynamic characteristics of the object, setting the necessary values of motion parameters, calculating the corresponding trajectories, forming control signals, information about control results, and deviations in depth and course angle. The results obtained during the dissertation research have practical significance, which lies in the application of methods and approaches in solving problems related to substantiating the choice of the apparatus design; application of methodology for conducting comprehensive research of the apparatus; application of simulation models of sensitive elements (accelerometer and gyroscope) of the inertial navigation system, which take into account the parameters and characteristics of real sensors; application of simulation model of strapdown inertial navigation system, which considers models of sensitive elements and their characteristics; application of simulation models of control channels of an autonomous unmanned underwater vehicle, which take into account the structural and dimensional characteristics of the apparatus. The results of the dissertation research have practical implications.
dc.format.extent176 с.
dc.identifier.citationГуриненко, С. О. Система управління, орієнтації та навігації автономних безпілотних підводних апаратів на основі мікроелектромеханічних технологій : дис. … д-ра філософії : 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Гуриненко Станіслав Олегович. – Київ, 2024. – 176 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/67217
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectавтономний безпілотний підводний апарат
dc.subjectавтоматизація
dc.subjectмобільні роботи
dc.subjectсистема управління
dc.subjectорієнтація
dc.subjectбезплатформна інерціальна навігаційна система
dc.subjectвизначення положення
dc.subjectкерування
dc.subjectмікроелектромеханічні технології
dc.subjectінерційні датчики
dc.subjectакселерометр
dc.subjectгіроскоп
dc.subjectкомп’ютерне моделювання
dc.subjectімітаційне моделювання
dc.subjectпохибки
dc.subjectautonomous unmanned underwater vehicle
dc.subjectautomation
dc.subjectmobile robots
dc.subjectcontrol system
dc.subjectorientation
dc.subjectstrapdown inertial navigation system
dc.subjectattitude determination
dc.subjectcontrol
dc.subjectmicroelectromechanical technologies
dc.subjectinertial sensors
dc.subjectaccelerometer
dc.subjectgyroscope
dc.subjectcomputer modeling
dc.subjectsimulation modeling
dc.subjecterrors
dc.subject.udc629.5:629.7:517.9:519.9:62-5:629.07
dc.titleСистема управління, орієнтації та навігації автономних безпілотних підводних апаратів на основі мікроелектромеханічних технологій
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Gurynenko_dys.pdf
Розмір:
8.14 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КІОНС)
Дисертації (вільний доступ)