Система візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарату
| dc.contributor.advisor | Бурау, Надія Іванівна | |
| dc.contributor.author | Золотарьов, Євгеній Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-08T08:46:15Z | |
| dc.date.available | 2026-06-08T08:46:15Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Zolotarov Ye. O. Visualization System for the Motion of an Autonomous Unmanned Underwater Vehicle. – Qualification scientific work submitted as a manuscript. Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy (PhD) in the field 151 – Automation and Computer-Integrated Technologies (Field of Study 15 – Automation and Instrumentation Engineering). National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and applied problem of substantiating and developing methodological as well as software and algorithmic support for a motion visualization system as part of an integrated navigation complex of a mini/micro-class autonomous unmanned underwater vehicle (AUV).The relevance of the research topic is determined by the increasing practical use of small-scale autonomous underwater vehicles in hydrographic surveying, underwater infrastructure inspection, environmental monitoring, and scientific research, as well as by the necessity to ensure reliable and informative visualization of their navigation state under conditions where global navigation satellite systems are unavailable. The impossibility of using satellite navigation in underwater environments necessitates the application of autonomous navigation means, primarily inertial navigation systems and hydroacoustic positioning methods. For mini/micro-class autonomous unmanned underwater vehicles, this problem is further complicated by strict mass, dimensional, and energy constraints of onboard equipment, which limit the sensor suite to inertial measurement modules characterized by increased levels of random disturbances. In addition, compact hydroacoustic receivers and transmitters for mini-AUVs operate at higher frequencies, resulting in increased acoustic attenuation, reduced operational range, and limited accuracy of navigation measurements. The specified operating conditions of autonomous unmanned underwater vehicles impose increased requirements on navigation systems and on the means of presenting navigation information, thereby necessitating a comprehensive approach to the development of a motion visualization system as a component of an integrated navigation complex. The specified operating conditions of autonomous unmanned underwater vehicles impose increased requirements on navigation systems and on the means of presenting navigation information, thereby necessitating a comprehensive approach to the development of a motion visualization system as a component of an integrated navigation complex. The main body of the dissertation consists of four chapters devoted to the study of methods and means for determining, transmitting, and visualizing the navigation parameters of motion of an autonomous unmanned underwater vehicle within the framework of a visualization system as part of an integrated navigation complex. The first chapter presents an analysis of the current state and development trends of autonomous unmanned underwater vehicles and their motion support systems. The classification of underwater vehicles, their main fields of application, and the specific features of their operation in underwater environments are considered. Modern navigation methods and systems are analyzed, including inertial, hydroacoustic, and integrated navigation systems, as well as approaches to their integration. It is established that most existing visualization systems are primarily oriented toward large-scale autonomous underwater vehicles or remotely operated underwater complexes and do not take into account the specific characteristics of mini- and micro-class vehicles. For this class of vehicles, the determining factors are the limited accuracy of MEMS-based inertial measurement modules, significant time delays in hydroacoustic communication channels, and the absence of a comprehensive approach to combining navigation algorithms and visualization systems within a unified navigation complex. An analysis of previous research on the topic is conducted, and the aim and objectives of the present dissertation are substantiated. The second chapter presents the structural-functional and software-algorithmic synthesis of the motion visualization system for an autonomous unmanned underwater vehicle as an integral component of the integrated navigation complex. A generalized functional scheme of the complex is proposed, reflecting the interaction between the navigation, control, measurement, and information subsystems, as well as the visualization system as a separate functional module. The composition and purpose of the main functional blocks are defined, and the information flows between the onboard and ground-based parts of the complex are specified. The selection of the tactical-grade INSB inertial navigation system manufactured by Inertial Labs is substantiated as the base module for determining the vehicle’s orientation, velocity, and position coordinates. Software and algorithmic support for the visualization system is developed using the Node-RED visual data flow programming environment. Mechanisms for real-time reception, processing, and transmission of navigation and telemetry data are implemented. An interactive operator interface is created to provide visualization of the vehicle trajectory on a digital map, numerical values of position coordinates, velocity components and altitude, as well as orientation angles (heading, roll, and pitch) using animated vector graphics. It is demonstrated that the visualization system constitutes an integral element of the integrated navigation complex, ensuring consistent representation of navigation information from multiple sources and enabling the operator to monitor the correctness of the navigation solution and mission execution of the autonomous unmanned underwater vehicle. The third chapter develops a mathematical model of the motion of an autonomous unmanned underwater vehicle along a complex trajectory, in particular a circular trajectory in the horizontal plane. The model is used for simulation and accuracy analysis of position and navigation parameter determination by the inertial navigation system. Analytical relationships are derived, and reference time histories of position coordinates, velocity projections, linear accelerations, and orientation parameters are generated. These reference values are used as baseline data for evaluating the accuracy of navigation algorithms. Based on the reference motion parameters, reference signals for the gyroscopes and accelerometers of the inertial measurement unit are formed. Simulation modeling of the autonomous operation of the inertial navigation system is performed, taking into account random disturbances characteristic of microelectromechanical sensors. An analytical assessment of the accumulated errors in position, velocity, and orientation determination is carried out. It is shown that in the absence of external correction, inertial navigation errors tend to increase over time, leading to significant distortion of navigation information and the displayed trajectory. Particular attention is devoted to the analysis of errors in data transmission and visualization of motion parameters caused by time delays in communication channels. It is established that the impact of delays increases with higher vehicle speed and longer duration of autonomous navigation, which substantiates the necessity of accounting for such delays in the overall structure of the navigation algorithm and the visualization system. The fourth chapter develops algorithms for external correction of the AUV inertial navigation system through deep integration with a long baseline (LBL) acoustic navigation system. An error model of the inertial navigation system and a measurement model of ranges to local bottom beacons are formulated, enabling formalization of the correction process for navigation parameters within the integrated navigation complex. An indirect discrete Kalman filter with a 15-component state vector is implemented to estimate errors in orientation, velocity, position, and sensor biases without direct intervention in the integration process of primary measurements. Structural-functional schemes for implementing the navigation algorithm with a closed-loop correction structure are proposed. To verify the performance and efficiency of the proposed algorithms, simulation modeling of the integrated navigation system is conducted using a virtual network of bottom beacons, as well as physical modeling based on a real INS-B inertial measurement module. The obtained results confirm the stability of the navigation algorithm, reduction of accumulated navigation errors, and robustness of the navigation solution under varying operating conditions and degradation of the long baseline system geometry. Based on the results of simulation and experimental modeling, the observability of the state vector parameters is analyzed, and the influence of the bottom beacon network configuration on the accuracy and stability of the navigation solution is investigated. It is demonstrated that range measurements to bottom beacons provide effective correction of position and velocity errors and contribute to limiting the drift of inertial navigation system orientation angles. The correctness of trajectory and navigation parameter visualization of the AUV in the developed visualization system is confirmed, ensuring reliable monitoring of the vehicle’s navigation state and mission execution. The scientific novelty of the obtained results is as follows: 1. For the first time, a method for constructing a motion visualization system for an autonomous unmanned underwater vehicle (AUUV) has been proposed and substantiated. The method is based on the application of Internet of Things (IoT) technology and a comprehensive approach to solving orientation, navigation, data transmission, and display tasks, ensuring the determination, transmission, and synchronized display of the vehicle's motion parameters (orientation, velocity, and coordinates) on base station devices. 2. The method for determining the motion parameters of an AUUV using an inertial navigation system has been improved through its integration with a long baseline (LBL) system and the application of a Kalman filter. This resulted in a reduction in the accumulation of errors in determining orientation, velocity, and coordinates in the presence of instrumental biases and random noise of inertial sensors. 3. A method for determining visualization errors of navigation parameters during the circular motion of an AUUV has been developed, which allowed for the first time to substantiate the dependence of data display accuracy on speed of movement and delays in information transmission channels. 4. The method for modeling the process of determining the navigation parameters of moving objects by an integrated navigation system has been further developed. This was achieved by using a physical model of the inertial navigation system and generating "virtual" ranges of the long baseline system based on GNSS coordinates and known beacon locations processed by a Kalman filter. Its application confirmed the reduction of navigation parameter error accumulation and the stability of the navigation solution under changing operating conditions and degradation of the long baseline system geometry.All results submitted for defense are original. They have been repeatedly presented and discussed at national and international scientific and technical conferences. Based on the materials of the dissertation, five journal articles and five conference papers have been published, which fully reflect its content. | |
| dc.format.extent | 184 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81516 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | автономний безпілотний підводний апарат | |
| dc.subject | автоматичне керування | |
| dc.subject | інтегрований навігаційний комплекс | |
| dc.subject | автономна навігація | |
| dc.subject | система візуалізації руху | |
| dc.subject | Інтернет речей | |
| dc.subject | інформаційна система | |
| dc.subject | інерціальна навігаційна система | |
| dc.subject | інерційний вимірювальний модуль | |
| dc.subject | гіроскоп | |
| dc.subject | акселерометр | |
| dc.subject | гідроакустична станція | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | місцеположення | |
| dc.subject | похибки | |
| dc.subject | autonomous unmanned underwater vehicle | |
| dc.subject | automatic control | |
| dc.subject | integrated navigation system | |
| dc.subject | autonomous navigation | |
| dc.subject | motion visualization system | |
| dc.subject | Internet of Things | |
| dc.subject | information system | |
| dc.subject | inertial navigation system | |
| dc.subject | inertial measurement unit | |
| dc.subject | gyroscope | |
| dc.subject | accelerometer | |
| dc.subject | hydroacoustic station | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | positioning | |
| dc.subject | errors | |
| dc.subject.udc | 629.127.4:629.05 | |
| dc.title | Система візуалізації руху автономного безпілотного підводного апарату | |
| dc.title.alternative | Visualization System for the Motion of an Autonomous Unmanned Underwater Vehicle | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Zolotarov_dys.pdf
- Розмір:
- 19.95 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: