Моделювання колового руху автономного безпілотного підводного апарату та сигналів датчиків інерціальної навігаційної системи

Є.О. Золотарьов, аспірант, Н.І. Бурау, д-р техн. наук

Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»
Україна, 03056, Київ, пр-т Берестейський, 37
e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Èlektron. model. 2025, 47(1):116-132

https://doi.org/10.15407/emodel.47.01.116

АНОТАЦІЯ

Розроблено інтегрований навігаційний комплекс автономного безпілотного підводного апарату (АБПА) для визначення поточних координат його місцезнаходження та наві­гаційних параметрів в різних режимах руху, а також для передачі та відображення цих даних в системі візуалізації на борту судна-носія. Такий комплекс повинен забезпечити не тільки процес орієнтації, навігації та керування, але й можливості моніторингу функ­ціонального технічного стану АБПА та його систем, а за необхідності й режим дис­тан­ційного керування апаратом. Розглянуто інерціальну навігаційну система (ІНС) фірми «Inertial Labs» для визначення положення, швидкості та орієнтації апарату на основі да­них від інерціального вимірювального модуля (ІВМ), до складу якого входять акселе­ро­метри та гіроскопи. Проведено математичне та комп’ютерне моделювання колового руху АБПА, отримано залежності, що характеризують змінювання координат та проек­цій швидкості АБПА в географічній системі координат, та змінювання кута курсу. Отримані характеристики руху АБПА використано для моделювання вихідних сигналів гіроскопів та акселерометрів ІВМ. На основі математичного опису сигналів ІВМ проведено їх ком­п’ютерне моделювання для колового руху АБПА, що дає можливість відтворити роботу ІНС для проведення подальших досліджень навігаційних алгоритмів, комплексування даних, підвищення точності позиціонування та навігації, ефективності передачі та візуа­лізації даних руху АБПА.

КЛЮЧОВІ СЛОВА:

автономний безпілотний підводний апарат, інерціальна наві­гаційна система, інерціальний вимірювальний модуль, моделювання, гіроскоп, акселерометр.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Wang J., Wu Z., Dong H., Tan M., Yu J. Development and control of underwater gliding robots: A review. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2022, Vol. 9, No. 9, P. 1543—1560. DOI: 10.1109/JAS.2022.105671
2. Бурау Н.І., Гуриненко С.О. Аналіз систем автоматичного керування багатоцільового автономного безпілотного підводного апарата зі складною динамікою руху. Вісник КПІ. Серія Приладобудування. 2023, Вип. 65 (1), С. 5—12. DOI: https://doi.org/10.20535/1970.65(1).2023.283195
3. Бурау Н.І., Золотарьов Є.О. Системи візуалізації руху безпілотних підводних апаратів. Вчені записки Таврійського національного університету імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2023, Том.34 (73), № 3, С. 83—89. DOI: https://doi.org/32782/2663-5941/2023.3.1/14
4. Bhat S., Stenius I. Hydrobatics: a review of trends, challenges and opportunities for efficient and agile under actuated AUVs. 2018 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicle Workshop (AUV), 2018, P. 1―8. DOI: 10.1109/AUV.2018.8729805.
5. Bhat S. Hydrobatics: Efficient and Agile Underwater Robots. S. thesis, School of Electrical Engineering and Computer Science, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden. 2021. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://kth.diva-portal.org/smash/ record.jsf?pid=diva2%3A1502112
6. Bhat S., Stenius I., Miao T. Real-time flight simulation of hydrobatic AUVs over the full 0º―360º envelope. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2021, Vol. 46, No. 4, Р. 1114― DOI: 10.1109/JOE.2021.3076178.
7. Bhat S., Torroba, Özkahraman Ö., Bore N., Sprague C., Xie Y. A Cyber-Physical System for Hydrobatic AUVs: System Integration and Field Demonstration. 2020 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles Symposium (AUV), 2020, Р. 1—8, DOI: 10.1109/ AUV50043.2020.9267947.
8. Balestrieri E., Daponte P., De Vito L., Lamonaca F. Sensors and Measurements for Unmanned Systems: An Overview. Sensors. 2021, 21, Iss. 4, 1518, DOI: https://doi.org/10.3390/ s21041518.
9. Martin B., Tarraf D., Whitmore T., Deweese J., Kenney C., Schmid J., DeLuca P. Advancing Autonomous Systems: An Analysis of Current and Future Technology for Unmanned Maritime Vehicles; RAND Corporation: Santa Monica, CA, USA, 2019. [Елект­ронний ресурс]. Режим доступу: https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/research_ reports/RR2700/RR2751/RAND_RR2751.pdf
10. Wu H., Chen Y., Yang Q., Yan B., Yang X. A Review of Underwater Robot Localization in Confined Spaces. Journal of Marine Science and Engineering. 2024, Vol. 12, Iss.3, 428. DOI: https://doi.org/10.3390/jmse12030428
11. Narasimhappa M., Mahindrakar A.D., Guizilini V.C., Terra M.H., Sabat S.L. MEMS-Based IMU Drift Minimization: Sage Husa Adaptive Robust Kalman Filtering. IEEE Sensors Journal. 2020, 20, No. 1, Р. 250—260. DOI: 10.1109/JSEN.2019.2941273.
12. Raja Rout. Control of Autonomous Underwater Vehicles. S. thesis, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela, India, 2013. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://www.academia.edu/68450858/Control_of_ Autonomous_Underwater_Vehicles_Raja_Rout
13. Inertial Labs: INS — GPS-Aided inertial Navigation Systems. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://inertiallabs.com/products/ins-inertial-navigation-systems/
14. Золотарьов Є.О., Бурау Н.І. Застосування технологій Node-RED для візуалізації руху об’єктів. Measuring and Computing Devices in Technological Processes, 2024, № 1, С. 93— https://doi.org/10.31891/2219-9365-2024-77-12
15. Noureldin A., Karamat T.B., Georgy, J. Fundamentals of Inertial Navigation, Satellite-based Positioning and their Integration, Springer eBooks. 2012. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1007/978-3-642-30466-8
16. Мелешко В.В., Нестеренко О.И. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы: учебное пособие, Кировоград: ПОЛИМЕД-Сервис, 2011, 164 с. ISBN 978-966-7813-75-8.

Повний текст: PDF