Введение 3
Обзор литературы 5
1. Содержательная постановка задачи 6
2. Математическая постановка задачи 9
2.1. Уравнения движения необитаемого подводного аппарата 9
2.2. Линеаризация уравнений динамики 11
2.3. Декомпозиция общей задачи синтеза 13
3. Методы решения задач синтеза 15
3.1. Синтез асимптотического наблюдателя в горизонтальной плоскости 15
3.2. Синтез скоростного регулятора на базе оценки состояния в горизонтальной плоскости 16
3.3. Синтез асимптотического наблюдателя в вертикальной плоскости 18
3.4. Синтез пропорционально-дифференциального регулятора по состоянию в вертикальной плоскости 19
3.5. Командный уровень на базе сонара 23
4. Компьютерное моделирование НПА REMUS 26
4.1. Компьютерное моделирование наблюдателя и управления в горизонтальной плоскости 26
4.2. Компьютерное моделирование наблюдателя и управления в вертикальной плоскости 29
4.3. Моделирование динамической системы в среде Simulink 31
4.4. Обход препятствий в вертикальной плоскости 34
Выводы 38
Заключение 39
Список литературы 40
Приложение А
Подводная робототехника является одной из новейших областей развития автоматизированных робототехнических комплексов. В последние годы оснащенные широким спектром различных датчиков необитаемые подводные аппараты (НПА), именуемые в зарубежных публикациях термином «Autonomous underwater vehicle» (AUV), широко используются для решения таких задач, как исследование рельефа морского дна, мониторинг и обслуживание трубопроводов и кабельных линий, сбор биологических и геологических проб жидкостей, освоение морских нефтяных и газовых месторождений, проведение подводных аварийно-спасательных работ. Рост популярности такого рода аппаратов объясняется тем, что применение пилотируемых аппаратов может быть весьма опасно для жизни самих пилотов и несет большие эксплуатационные расходы.
Исследования в области моделирования и управления подводными роботами в конечном итоге направлены на достижение полной автоматизации процессов. Достижение данной цели представляется исключительно сложной задачей, так как требует знания и понимания большого объема теоретических и практических проблем, подлежащих всесторонним исследованиям.
В частности, система датчиков (в том числе сонаров) НПА зачастую имеет дело с неизвестной и плохо структурированной окружающей средой, исключающей применение одной только системы GPS (Global Positioning System). Кроме того, применение систем, основанных на компьютерном зрении, не обеспечивает достаточной надежности при наличии плохой видимости под водой.
В данной связи, особенно актуальной представляется проблема синтеза законов управления автономным подводным аппаратом в вертикальной плоскости с целью обхода препятствий и поддержания заданного расстояния от робота до морского дна.
В качестве подобного аппарата для проведения имитационного моделирования, синтеза закона управления и проведения компьютерных экспериментов был выбран аппарат «REMUS 100» – компактный, легковесный, автономный подводный робот, разработанный для проведения операций в прибрежных зонах на глубине до 100 метров. Данный AUV можно конфигурировать, устанавливая на него широкий диапазон стандартного и специализированного оборудования и, тем самым, реализуя необходимые для удовлетворения специфическим требованиям миссии варианты системы.
Данная работа основывается на ранее представленных знаниях об аппарате REMUS, на базе которых в среде MATLAB-Simulink может быть построен имитационный комплекс модели рассматриваемого плавучего объекта.
В процессе проведенного исследования получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:
1. Сформулирована задача синтеза многоцелевой структуры управления НПА REMUS 100 и предложены способы нахождения ее элементов с обеспечением желаемой динамики процессов.
2. Сформирован имитационно-моделирующий комплекс в среде MATLAB с привлечением прикладного пакета Simulink для компьютерного моделирования рассматриваемых систем и проведения вычислительных экспериментов.
3. Проведено численное решение задачи синтеза регуляторов для рассматриваемого аппарата, показавшее работоспособность и эффективность принятого подхода.
