Система візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарату
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Золотарьов 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.
Опис
Ключові слова
автономний безпілотний підводний апарат, автоматичне керування, інтегрований навігаційний комплекс, автономна навігація, система візуалізації руху, Інтернет речей, інформаційна система, інерціальна навігаційна система, інерційний вимірювальний модуль, гіроскоп, акселерометр, гідроакустична станція, моделювання, місцеположення, похибки, autonomous unmanned underwater vehicle, automatic control, integrated navigation system, autonomous navigation, motion visualization system, Internet of Things, information system, inertial navigation system, inertial measurement unit, gyroscope, accelerometer, hydroacoustic station, modeling, positioning, errors
Бібліографічний опис
Золотарьов, Є. О. Система візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарату : дис. … д-ра філософії : 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Золотарьов Євгеній Олександрович. – Київ, 2026. – 184 с.