RU2483327C2 - Integrated system for navigation and controlling movement for self-contained unmanned underwater vehicles - Google Patents
Integrated system for navigation and controlling movement for self-contained unmanned underwater vehicles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2483327C2 RU2483327C2 RU2011131950/28A RU2011131950A RU2483327C2 RU 2483327 C2 RU2483327 C2 RU 2483327C2 RU 2011131950/28 A RU2011131950/28 A RU 2011131950/28A RU 2011131950 A RU2011131950 A RU 2011131950A RU 2483327 C2 RU2483327 C2 RU 2483327C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- auv
- navigation
- depth
- control
- trim
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Navigation (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технических средств судовождения, предназначенных для автоматической проводки судна по заданному курсу, оси фарватера (судового хода) или по заданной траектории движения, преимущественно автономных необитаемых подводных аппаратов, при их использовании в арктических морях.The invention relates to the field of navigational aids intended for automatic piloting of a vessel at a predetermined course, fairway axis (ship's course) or along a predetermined path, mainly autonomous uninhabited underwater vehicles, when used in the Arctic seas.
Известны технические средства судовождения, предназначенные для автоматической проводки судна по заданному курсу, оси фарватера (судового хода) или по заданной траектории движения (патенты RU №2224279 С1, 20.02.2004 [1], RU №2207585 С2, 27.06.2003 [2], RU №2260191 С1, 10.09.2005 [3], US №5523951 A, 04.06.1996 [4], US №5179385 A, 12.01.1993 [5], US №4513378 A, 23.04.1985 [6], RU №2410282 [7]), которые могут быть использованы при проектировании адаптивных авторулевых на судах различных классов. При этом устройства содержат приемоиндикатор спутниковых навигационных систем, электронную картографическую навигационно-информационную систему, авторулевой гирокомпас, рулевую машину.Known technical means of navigation intended for automatic piloting of a ship at a given heading, fairway axis (shipway) or along a given path (patents RU No. 2224279 C1, 02.20.2004 [1], RU No. 2207585 C2, 06.27.2003 [2] , RU No. 2260191 C1, 09/10/2005 [3], US No. 5523951 A, 06/04/1996 [4], US No. 5179385 A, 01/12/1993 [5], US No. 4513378 A, 04/23/1985 [6], RU No. 2410282 [7]), which can be used in the design of adaptive autopilots on ships of various classes. Moreover, the devices contain a receiver-indicator of satellite navigation systems, an electronic cartographic navigation-information system, an autopilot gyrocompass, and a steering machine.
В состав устройства [7], в отличие от устройств [1-6], дополнительно введен адаптивный вычислитель бокового отклонения судна от заданной траектории движения, что позволяет осуществить автоматизированное определение и учет допустимого бокового отклонения судна от заданной траектории.The structure of the device [7], in contrast to the devices [1-6], additionally introduced an adaptive calculator of the lateral deviation of the vessel from a given trajectory, which allows automated determination and accounting of the permissible lateral deviation of the vessel from a given trajectory.
Однако известные устройства [1-7] в основном предназначены для их использования на надводных судах, когда обеспечивается бесперебойный ввод в вычислительное устройство значений обсервованных координат, получаемых от спутниковых и радионавигационных систем.However, the known devices [1-7] are mainly intended for their use on surface vessels, when the uninterrupted input of the observable coordinates received from satellite and radio navigation systems into the computing device is ensured.
В настоящее время для проведения глубоководных работ и океанографических исследований создаются и используются разнообразные робототехнические средства, включая автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), эффективные в особенности при работе на больших глубинах, подо льдом, в других экстремальных условиях подводной среды. В ряде стран создано значительное число аппаратов данного типа, предназначенных для поиска объектов, съемки рельефа дна, геологоразведки, научных исследований и решения широкого круга прикладных задач.A variety of robotic tools, including autonomous uninhabited underwater vehicles (AUVs), which are especially effective when working at great depths, under ice, and in other extreme conditions of the underwater environment, are currently being created and used for deep sea work and oceanographic research. In a number of countries, a significant number of devices of this type have been created for searching objects, surveying bottom topography, exploration, scientific research and solving a wide range of applied problems.
В навигационном оснащении современных АНПА используются элементы бортовой автономной гидроакустической и спутниковой систем навигации (Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики / Ю.В.Ваулин, А.В.Инзарцев, А.В.Каморный и др. // Подводные исследования и робототехника. Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток, №1(5), 2008, с.24-31[8]).In the navigation equipment of modern AUVs, elements of the onboard autonomous sonar and satellite navigation systems are used (the navigation complex of an autonomous underwater robot and the features of its application in the Arctic / Yu.V. Vaulin, A.V. Inzartsev, A.V. Kamorny, etc. // Underwater research and robotics, Institute of Marine Technology Problems, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, No. 1 (5), 2008, pp. 24-31 [8]).
Гидроакустический комплекс навигации и связи [8] включает в себя систему с длинной базой (ГАНС-ДБ), систему с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ), систему связи (ГАСС), работающую в режимах телеуправления и телеметрии, системы дальнего и ближнего приведения. В состав всего комплекса входят приемопередающие устройства на аппарате, буксируемый гидроакустический модуль со всем необходимым комплексом антенн и навигационных датчиков, выставляемый с борта обеспечивающего судна, комплект донных приемоответчиков ГАНС-ДБ. Географическая привязка всего пространственно распределенного комплекса обеспечивается с помощью приемников спутниковой навигации, а для экстренной связи и телеуправления, когда аппарат находится на поверхности воды, используются радиомодемы.The hydro-acoustic navigation and communication complex [8] includes a long base system (HANS-DB), an ultrashort base system (HANS-UKB), a communications system (GAS) operating in telecontrol and telemetry modes, and long-distance and short-range driving systems. The entire complex includes transceiver devices on the device, a towed hydroacoustic module with all the necessary complex of antennas and navigation sensors, put up from the side of the supply vessel, a set of GANS-DB bottom transponders. The geographic location of the entire spatially distributed complex is provided by satellite navigation receivers, and radio modems are used for emergency communications and remote control when the device is on the surface of the water.
В состав бортовой автономной навигационной системы (БАНС) входят инерциальная навигационная система (ИНС), эхолокационная система (ЭЛС), приемник GPS, навигационно-пилотажные датчики (глубиномер, магнитный и гироскопический компасы, датчики крена и дифферента, измерители относительной и абсолютной скорости - вертушечный и доплеровский лаги (ВЛ, ДЛ), датчики угловых скоростей). В зависимости от конфигурации БАНС доставляемая измерителями информация используется для повышения надежности и точности работы системы. Собственно БАНС представляет собой распределенный модуль, который образуют система счисления пути, ИНС и приемник GPS, работающие под управлением локальной вычислительной сети. Автономные навигационные средства в таком составе способны обеспечить осуществление программных миссий и накопление информации о состоянии аппарата в процессе движения.The composition of the onboard autonomous navigation system (BANS) includes an inertial navigation system (ANN), an echo-location system (ELS), a GPS receiver, navigation and flight sensors (depth gauge, magnetic and gyroscopic compasses, roll and trim sensors, relative and absolute speed sensors - turntable and Doppler logs (VL, DL), angular velocity sensors). Depending on the BANS configuration, the information delivered by the meters is used to increase the reliability and accuracy of the system. Actually BANS is a distributed module, which is formed by the number system of the path, ANN and GPS receiver, operating under the control of a local area network. Autonomous navigational aids of this composition are capable of ensuring the implementation of program missions and the accumulation of information about the state of the device during movement.
При этом используются следующие варианты комплексирования и коррекции навигационной информации на борту АНПА:The following options for integrating and correcting navigation information on board the AUV are used:
- коррекция ИНС (в полной конфигурации или в режиме гирокомпаса) от ДЛ (вблизи дна) и СНС (на поверхности моря);- correction of the ANN (in full configuration or in the gyrocompass mode) from the DL (near the bottom) and the SNS (on the sea surface);
- взаимная коррекция гироскопического и магнитного компасов в различных режимах работы АНПА;- mutual correction of gyroscopic and magnetic compasses in various operating modes of AUV;
- интегральная обработка информации БАНС и бортового приемника ГАНС-ДБ (УКБ);- Integrated processing of information BANS and on-board receiver GANS-DB (UKB);
- коррекция БАНС по гидроакустическому каналу связи и телеуправления с использованием данных ГАНС и СНС.- BANS correction via the hydroacoustic communication channel and telecontrol using data from HANS and SNA.
Определение координат (как локальных, так и абсолютных) в автономной системе производится методом счисления пути.The coordinates (both local and absolute) in the autonomous system are determined by the method of dead reckoning.
ИНС представляет собой оптоволоконный гирокомпас «Octans 111» французской фирмы IXSEA или механическую ИНС на базе динамически настраиваемых гироскопов.ANN is a fiber optic gyrocompass “Octans 111” of the French company IXSEA or a mechanical ANN based on dynamically tuned gyroscopes.
Эхолокационная система включает гидролокатор бокового обзора низкой и высокой частоты, акустический профилограф, датчик глубины. Кроме того, измерительная аппаратура включает измерители температуры и электропроводности морской среды, данные от которых используются для вычисления скорости звука, а также средства фотосъемки морского дна.The sonar system includes a low and high frequency side-scan sonar, an acoustic profilograph, and a depth sensor. In addition, the measuring equipment includes measuring instruments for temperature and electrical conductivity of the marine environment, the data from which are used to calculate the speed of sound, as well as means for photographing the seabed.
Определение координат (как локальных, так и абсолютных) в известной системе производится методом счисления пути. Для этого используются данные измерения вектора скорости, полученные с помощью относительного или абсолютного лага. Составляющие вектора скорости V=(Vx,Vy) относительно выбранной неподвижной системы координат в этих случаях имеют вид:The coordinates (both local and absolute) in a known system are determined by the method of dead reckoning. For this, measurement data of the velocity vector obtained using the relative or absolute lag are used. The components of the velocity vector V = (V x , V y ) relative to the selected fixed coordinate system in these cases are of the form:
где Vотн - скорость относительно потока, 
Известный бортовой навигационный комплекс АНПА выполнен в двух конфигурациях, отличающихся типом используемой ИНС. В одной из конфигураций в качестве ИНС используется оптоволоконный гирокомпас «Octans III» французской фирмы iXSEA, в другой - механическая ИНС на базе динамически настраиваемых гироскопов разработки ОАО «НПО Электромеханики» (г.Миасс). В данной системе программным путем обеспечивается коррекция скорости с использованием измерений, поступающих от гидроакустического доплеровского лага. Для совместной обработки данных от внутренних источников (гироскопов, акселерометров) и внешних источников (ДЛ, приемника GPS) используется фильтр Калмана.The well-known on-board navigation system ANPA is made in two configurations that differ in the type of ANN used. In one of the configurations, the fiber optic gyrocompass “Octans III” of the French company iXSEA is used as an ANN, in the other, a mechanical ANN based on dynamically tuned gyroscopes developed by NPO Electromechanics OJSC (Miass). In this system, speed correction is provided programmatically using measurements from the sonar Doppler lag. For joint processing of data from internal sources (gyroscopes, accelerometers) and external sources (DL, GPS receiver), a Kalman filter is used.
При работе АНПА в ограниченном районе или в режиме сопровождения обеспечивающего судна коррекцию автономных координат осуществляют путем совместной обработки информации БАНС и ГАНС или путем передачи по гидроакустическому каналу связи навигационных данных на аппарат наряду с данными телеметрии и командами телеуправления.When the AUV operates in a limited area or in the escort mode of the supplying vessel, the correction of the autonomous coordinates is carried out by joint processing of the BANS and HANS information or by transmitting navigation data via the hydro-acoustic communication channel to the device along with telemetry data and telecontrol commands.
Задача БАНС сводится к измерению курса и скорости, вычислению по этим данным проекций скорости на координатные оси и их интегрированию для определения координат. Если используется относительный лаг, то при вычислении учитываются имеющиеся данные о течении (VTx, VTy). Функционирование известной системы может быть описано соотношениями:The task of BANS is reduced to measuring the course and speed, calculating from these data the projections of speed on the coordinate axes and integrating them to determine the coordinates. If relative lag is used, then the calculation takes into account the available data on the flow (V Tx , V Ty ). The functioning of the known system can be described by the ratios:
где Хс, Yc - координаты, счисленные с помощью БАНС, X(t0), Y(t0) - начальные координаты, вводимые перед пуском АНПА.where X s , Y c are the coordinates calculated using the BANS, X (t 0 ), Y (t 0 ) are the initial coordinates entered before starting the AUV.
Оценки дальностей ri (i=1…n) от аппарата до приемоответчиков с координатами (X., Y.) и оценки координат аппарата (Xr, Yr), которые могут быть получены с помощью ГАНС, связаны уравнениями:Estimates of the ranges ri (i = 1 ... n) from the apparatus to transponders with coordinates (X., Y.) and estimates of the coordinates of the apparatus (X r , Y r ), which can be obtained using the HANS, are related by the equations:
Оценки координат аппарата (Хс, Yc), определенные автономной системой, и оценки координат (Xr, Yr), полученные посредством ГАНС, используются комплексной навигационной системой (КНС) для улучшения результирующих оценок координат (X, Y). Коррекция координат в КНС осуществляется циклически с интервалом обновления данных, равным периоду гидроакустических посылок (откликов).Estimates of the coordinates of the apparatus (X c , Y c ), determined by the autonomous system, and estimates of the coordinates (X r , Y r ) obtained by the HANS are used by the integrated navigation system (CNS) to improve the resulting estimates of the coordinates (X, Y). Correction of coordinates in the SSC is carried out cyclically with an interval of data update equal to the period of sonar transmissions (responses).
Вычислительная модель алгоритма КНС содержит следующие программные блоки:The computational model of the KNS algorithm contains the following program blocks:
- счисление координат на основе данных от навигационно-пилотажных датчиков;- reckoning coordinates based on data from navigation and flight sensors;
- селектирование откликов от гидроакустических приемоответчиков;- selection of responses from sonar transponders;
- вычисление «гидроакустических» координат на основе дальномерной информации;- Calculation of “hydroacoustic” coordinates based on rangefinding information;
- коррекция координат и оценка скорости течения.- correction of coordinates and estimation of current velocity.
Входными параметрами системы являются курс от гироскопического или магнитного компасов, дифферент, относительная или абсолютная скорости, предварительная оценка составляющих скорости течения (при использовании относительного лага). Выходными параметрами являются пройденный за цикл путь (dx, dy) и координаты Хс, Yc.The input parameters of the system are the course from the gyroscopic or magnetic compasses, trim, relative or absolute velocities, a preliminary assessment of the components of the current velocity (when using the relative lag). The output parameters are the path traveled during the cycle (dx, dy) and the coordinates X c , Y c .
Процесс предварительной обработки сигналов от приемоответчиков ГАНС обеспечивает фильтрацию (селектирование) ложных сигналов, вызванных многолучевостью, и формирование дистанций rki для последующей процедуры вычисления координат Xr, Yr. Обработка сигналов производится с учетом предыстории, т.е. накопленной за предыдущие циклы дальномерной информации. Преимущество алгоритма обработки сигналов на борту АНПА по сравнению с аналогичной процедурой на борту обеспечивающего судна заключается в том, что на АНПА используется информация о текущих счисленных координатах аппарата, на основе которой вычисляются ожидаемые времена откликов toik, где к - это номер шага, i=1…3 - номер приемоответчика. На основе измеренных дистанций rik вычисляются координаты Хr, Yr.The process of preliminary processing of signals from HANS transponders provides filtering (selection) of false signals caused by multipath and the formation of distances r ki for the subsequent procedure for calculating the coordinates X r , Y r . Signal processing is carried out taking into account the background, i.e. accumulated over previous ranges of ranging information. The advantage of the signal processing algorithm on board the AUV as compared to the similar procedure on board the supply vessel is that the AUU uses information about the current calculated coordinates of the device, based on which the expected response times t oik are calculated , where k is the step number, i = 1 ... 3 - transponder number. Based on the measured distances r ik, the coordinates X r , Y r are calculated.
Для коррекции координат формируется итерационный цикл:To correct the coordinates, an iterative cycle is formed:
Xk->Xck, Yk->Yck,X k -> Xc k , Y k -> Yc k ,
где dt - период работы ГАНС, К1, К2 - параметры коррекции.where dt is the operation period of HANS, K 1 , K 2 are correction parameters.
Оценки составляющих скорости течения Утхк; Vтук используются при вычислении координат Хс, Yc, в периоды между циклами коррекции.Estimates of the components of the flow velocity U thc ; V tuk are used in calculating the coordinates of X c , Y c , in the periods between correction cycles.
Приведенные варианты комплексирования и оценки точности систем проверялись при многократных натурных испытаниях в условиях мелкого и глубокого моря.The above options for integrating and assessing the accuracy of systems were tested during repeated field tests in shallow and deep seas.
Испытания навигационного комплекса проводились в составе АНПА типа «МТ-98» при траекторных измерениях в условиях полигона в одной из бухт залива Петра Великого. В течение 12-часового пуска АНПА выполнял обзорную гидролокационную съемку заданного района и по завершении программы всплыл и произвел GPS обсервацию. Рассогласование координат, счисленных по данным индукционного (магнитного) компаса типа ИД-6, доплеровского лага и скорректированных по отсчетам ГАНС-ДБ, с координатами, полученными от GPS в точке всплытия, составило 35 м.Tests of the navigation complex were carried out as part of the MTA-98 type AUV during trajectory measurements in a polygon in one of the bays of Peter the Great Bay. During the 12-hour launch, the AUV performed a survey sonar survey of a given area and, at the end of the program, surfaced and made a GPS observation. The mismatch of the coordinates calculated according to the ID-6 type induction (magnetic) compass, the Doppler lag and corrected by the HANS-DB readings with the coordinates obtained from GPS at the ascent point was 35 m.
При 17-часовом пуске АНПА с определением его координат средствами ГАНС, БАНС и GPS в зоне действия трех маяков-приемоответчиков ГАНС со счислением координат по данным гирокомпаса и вертушечного лага позволили свести ошибку счисления БАНС до соответствующего уровня ГАНС-ДБ (15 м).During the 17-hour launch of the AUV with the determination of its coordinates by means of HANS, BANS and GPS in the area of operation of three HANS beacon transponders with coordinates reckoning according to the gyrocompass and turntable lag, the BANS calculation error was reduced to the corresponding HANS-DB level (15 m).
Также в период испытаний было установлено, что для работы в открытой воде и в условиях умеренных широт АНПА оснащен гидроакустическими средствами навигации и управления, применение которых на Севере в штатных режимах ограничивалось рядом обстоятельств.Also during the testing period, it was found that for operation in open water and in moderate latitudes, the AUV is equipped with hydroacoustic navigation and control devices, the use of which in the North in normal operation was limited by a number of circumstances.
Гидроакустическая навигационная система с ультракороткой базой, работа которой не требует постановки маяков-ответчиков, в штатном составе оснащена магнитным датчиком курса, который в полярных широтах дает большую погрешность. Постановка в районе работ донных гидроакустических маяков-ответчиков, возвращаемых или разовых, и развертывание ГАНС с длинной базой в штатном режиме неэффективны из-за дрейфа ледового поля. При значительном удалении приводящей акустической антенны, дрейфующей вместе с судном, резко ухудшаются условия гидроакустического контроля и управления работой с борта носителя. Постановка поверхностных маяков ГАНС ДБ также имеет свои недостатки. Во-первых, для определения текущих координат каждого маяка требуется включение в их состав приемника спутниковой навигации, средств передачи координат в пост управления и ввод этих данных для решения навигационной задачи. Во-вторых, для обеспечения нормальной работы маяков с учетом характера вертикального распределения скорости звука в арктических широтах необходимо устанавливать маяки на глубинах не менее 250-300 м. Размеры полыньи и соответственно измерительной базы маяков ограничены. При этом неучитываемое смещение маяков, устанавливаемых на гибких фалах, приводит к появлению значительных ошибок и сбоев в работе навигации.The hydroacoustic navigation system with an ultrashort base, the operation of which does not require the setting of responder beacons, is equipped as standard with a magnetic heading sensor, which in the polar latitudes gives a large error. The installation in the work area of bottom sonar transponder beacons, returned or one-time, and the deployment of a long-base GANS with normal operation are inefficient due to drift of the ice field. With a significant removal of the driving acoustic antenna drifting with the vessel, the conditions of hydroacoustic monitoring and control of operation from the side of the carrier sharply worsen. The installation of surface beacons GANS DB also has its drawbacks. Firstly, to determine the current coordinates of each beacon, it is necessary to include in their composition a satellite navigation receiver, means of transmitting coordinates to the control station and enter this data to solve the navigation problem. Secondly, to ensure the normal operation of the beacons, taking into account the nature of the vertical distribution of the speed of sound in the Arctic latitudes, it is necessary to install beacons at a depth of at least 250-300 m. The dimensions of the wormwood and, accordingly, the measuring base of the beacons are limited. At the same time, the unaccounted displacement of beacons installed on flexible files leads to the appearance of significant errors and failures in navigation.
При использовании АНПА в высоких широтах были использованы гирогоризонткомпас типа «Octans» и гидроакустический доплеровский лаг. В итоге для навигационного сопровождения АНПА была реализована следующая схема.When using AUVs at high latitudes, the Octans gyrohorizontcompass and the hydroacoustic Doppler log were used. As a result, the following scheme was implemented for the navigation support of the AUV.
По контуру полыньи, выбранной для пуска и всплытия АНПА, устанавливались три маяка-ответчика ГАНС ДБ с максимально возможными дистанциями между ними. Координаты маяков определялись в момент их постановки и непосредственно перед стартом АНПА, а затем вводились в навигационную программу судового комплекса в качестве постоянных данных. Положения маяков периодически уточнялись, и обновленные данные далее использовались для расчетов. Текущее положение судна и соответственно выставляемой судовой антенны определялось штатным приемником спутниковой навигации. С учетом получаемых данных определялся текущий дрейф ледового поля и оценивалось положение измерительной базы маяков.Along the wormwood circuit selected for launching and ascent of the AUV, three HANS DB defendant beacons were installed with the maximum possible distances between them. The coordinates of the lighthouses were determined at the time of their installation and immediately before the start of the AUV, and then entered into the navigation program of the ship complex as permanent data. The positions of the lighthouses were periodically updated, and the updated data was further used for calculations. The current position of the vessel and, accordingly, the exposed ship's antenna was determined by the standard satellite navigation receiver. Based on the data obtained, the current drift of the ice field was determined and the position of the measuring base of the lighthouses was estimated.
Фиксировались координаты стартовой точки АНПА на поверхности. Далее по данным ГАНС ДБ определялись координаты точки старта АНПА у дна и соответственно точки начала координат работы бортовой навигационной системы. При выполнении исследовательских работ текущая траектория движения АНПА счислялась по данным бортовых датчиков абсолютной скорости, курса, глубины, крена, дифферента.The coordinates of the starting point of the AUV on the surface were recorded. Further, according to the HANS DB data, the coordinates of the AUV launch point at the bottom and, accordingly, the origin of the coordinates of the on-board navigation system were determined. When performing research, the current trajectory of the AUV was calculated according to the data of the on-board sensors of absolute speed, course, depth, roll, trim.
По данным телеметрии, передаваемой с борта АНПА по гидроакустическому каналу связи, выполнялось счисление траектории движения АНПА в реальном времени на борту обеспечивающего судна. На навигационном планшете параллельно отображались траектория дрейфа судна с базой маяков и траектория движения АНПА относительно дрейфующей базы маяков. Накапливаемая ошибка системы счисления корректировалась по ряду дискретных точек, в которых расчет местоположения АНПА производился по данным ГАНС ДБ с использованием уточненных координат маяков.According to telemetry data transmitted from the AUV via hydro-acoustic communication channel, the AUV trajectory was calculated in real time on board the supply vessel. On the navigation tablet, the trajectory of the drift of the vessel with the base of the lighthouses and the trajectory of the AUV relative to the drifting base of the lighthouses were displayed in parallel. The accumulated error of the number system was corrected for a number of discrete points at which the location of the AUV was calculated according to the HANS DB using the specified coordinates of the beacons.
После завершения исследовательских работ АНПА выполнял процедуру автоматического выхода на судовой гидроакустический антенный модуль. Наведение осуществлялось при расположении антенного модуля значительно выше АНПА (рабочая глубина антенны составляла 400 м, а АНПА - около 1600 м, наклонная дальность - более 5 км). В таких условиях производилось трехэтапное приведение АНПА к антенне.After the completion of the research, the AUV performed the procedure of automatic access to the ship’s sonar antenna module. The guidance was carried out with the antenna module located much higher than the AUV (the working depth of the antenna was 400 m, and the AUV was about 1600 m, the slant range was more than 5 km). Under such conditions, a three-stage reduction of the AUV to the antenna was carried out.
На первом этапе АНПА двигался к приводящей антенне, находясь у дна. При таком движении условия приема акустических сигналов изменялись постепенно и незначительно. Во-вторых, движение у дна позволяло использовать доплеровский лаг. При этом счисление производилось с большей точностью, а время поисковых движений - сокращалось. На втором этапе при выходе аппарата на траверс антенны производилось спиралеобразное всплытие аппарата на глубину 50 м. Одновременно на эту же глубину поднималась приводящая антенна. Затем производилось наведение аппарата на антенну на горизонте 50 м. При попадании аппарата в окрестность антенны осуществлялся переход на ручное наведение с использованием акустического канала телеуправления.At the first stage, the AUV moved to the lead antenna, being at the bottom. With this movement, the conditions for receiving acoustic signals changed gradually and insignificantly. Secondly, the movement at the bottom made it possible to use the Doppler lag. At the same time, the calculation was made with greater accuracy, and the time of the search movements was reduced. At the second stage, when the device reached the antenna traverse, the device was helical ascent to a depth of 50 m. At the same time, the driving antenna rose to the same depth. Then the device was guided to the antenna at a horizon of 50 m. When the device got into the vicinity of the antenna, a transition to manual guidance was made using the acoustic remote control channel.
На заключительной фазе приведения перед всплытием положение АНПА в полынье контролировалось по данным о дальностях аппарата от антенного модуля и каждого маяка. Команды на завершающие процедуры всплытия (подъем с глубины 20 м, а затем с глубины 5 м) подавались при получении минимальной дальности до судовой антенны (не более 20-25 м) и нахождении АНПА в центре полыньи (определяемом по дальностям АНПА от маяков), что позволило определять текущее положение АНПА, управлять им, контролировать ход выполнения миссии и обеспечивать точный выход аппарата в полынью для всплытия. На заключительной фазе всплытия АНПА после 22 часов автономной работы был обеспечен контроль прямой дальности АНПА от судовой антенны и установленных маяков. Ошибка измерения дальности в этот момент не превышала 10 м, а при выходе на поверхность АНПА находился в 10-15 м от борта носителя и 20-30 м от судовой антенны.In the final phase of the casting before the ascent, the position of the AUV in the wormwood was monitored using data on the distances of the vehicle from the antenna module and each beacon. Commands for the final ascent procedures (ascent from a depth of 20 m, and then from a depth of 5 m) were given when obtaining the minimum range to the ship's antenna (not more than 20-25 m) and when the AUV was located in the center of the wormwood (determined by the AUV distances from the lighthouses), which made it possible to determine the current position of the AUV, to control it, to monitor the progress of the mission and to ensure the precise exit of the apparatus into the wormwood for ascent. In the final phase of the AUV ascent after 22 hours of autonomous operation, the AUV direct range from the ship's antenna and installed beacons was monitored. The error in measuring the range at this moment did not exceed 10 m, and when reaching the surface of the AUV, it was 10-15 m from the side of the carrier and 20-30 m from the ship's antenna.
На основании анализа полученных данных была выполнена оценка точности навигационной привязки. В ходе запуска в течение 22 часов суммарная нескорректированная ошибка бортовой навигационной системы, определенная как расхождение координат точки всплытия, счисленных бортовой навигационной системой, и координат, полученных при обсервации GPS, составила 1370 м или около 60 м/ч. Эта ошибка была накоплена и формировалась за счет следующих источников:Based on the analysis of the obtained data, an assessment of the accuracy of navigation reference was performed. During the launch during 22 hours, the total uncorrected error of the onboard navigation system, defined as the difference between the coordinates of the ascent point calculated by the onboard navigation system and the coordinates obtained during GPS observation, was 1370 m or about 60 m / h. This error was accumulated and formed due to the following sources:
- ошибки определения географических координат для стартовой точки начала исследовательских работ на дне. При этом координаты точки старта на поверхности устанавливались достаточно точно, но при погружении (около 50 мин) АНПА его положение контролировалось ГАНС, использующей дрейфующую базу маяков. Расчетное положение стартовой точки по данным ГАНС корректировалось путем компенсации дрейфа базы маяков с ошибкой около 50 м;- errors in determining the geographical coordinates for the starting point of the beginning of research at the bottom. In this case, the coordinates of the starting point on the surface were set fairly accurately, but when the AUV was immersed (about 50 min), its position was controlled by the HANS, using the drifting base of the lighthouses. The estimated position of the starting point according to the HANS data was corrected by compensating for the drift of the base of the lighthouses with an error of about 50 m;
- ошибки бортовой навигационной системы при счислении пути. По данным экспериментов, проведенных во время отладки системы, суммарная ошибка счисления не превышала 1% от пройденного пути, что составляет при скорости 1 м/с не более 50 м/ч;- errors on-board navigation system when reckoning the way. According to experiments conducted during system debugging, the total calculation error did not exceed 1% of the distance traveled, which is at a speed of 1 m / s not more than 50 m / h;
- ошибки счисления пути при всплытии АНПА и во время приведения на глубинах, исключающих возможность работы доплеровского лага. При этом данные о скорости аппарата вырабатывались относительным лагом, точность которого существенно ниже точности доплеровского лага. Общая продолжительность работы системы счисления в режиме приведения была не менее 3 часов, что также сказалось на величине суммарной ошибки.- Erratic dead reckoning during the ascent of the AUV and during reduction at depths, which exclude the possibility of the Doppler lag. In this case, the data on the speed of the apparatus were generated by a relative lag, the accuracy of which is significantly lower than the accuracy of the Doppler lag. The total duration of the number system in the cast mode was at least 3 hours, which also affected the value of the total error.
Основными недостатками известного интегрированного комплекса навигации и управления движением являются следующие технические решения.The main disadvantages of the well-known integrated navigation and traffic control system are the following technical solutions.
Использование буксируемого антенного модуля с приемопередающими блоками системы связи и телеуправления, приемопередающими блоками системы ГАНС ДБ, приемными блоками системы ГАНС УКБ, что требует его стабилизации при воздействии на него внешних условий, а также наличие водного пространства, свободного ото льда.The use of a towed antenna module with transceiver units of a communication and telecontrol system, transceiver units of the HANS DB system, receiving units of the HANS UKB system, which requires its stabilization when exposed to external conditions, as well as the presence of an ice-free water space.
При реализации инерциального счисления используют ИНС полуаналитического типа на поплавковых гироскопах. При этом в состав ИНС входят гироскопические системы, обеспечивающие стабилизацию платформ и измерение широты, и акселерометры, измеряющие ускорения АНПА в трех плоскостях.When implementing inertial reckoning, an ANN of a semi-analytical type is used on float gyroscopes. Moreover, the ANN includes gyroscopic systems providing stabilization of platforms and measuring latitude, and accelerometers measuring accelerations of AUV in three planes.
При этом, наличие чувствительных элементов этих двух типов и использование относительного лага в качестве демпфирующего элемента приводит к возникновению погрешностей выработки координат со сложной структурой (В.А.Михальский, В.А.Катенин. Метрология в кораблевождении и решение задач навигации. СПб., «Элмор», 2009, с.156.). Погрешности выработки широты (и курса инерциального) по характеру их проявления складываются из суточной, шулеровской, случайной составляющих и погрешности, обусловленной воздействием подводных течений. В канале выработки долготы (и курса гироазимутального) к этим составляющим добавляется уход (тренд) долготы с почти постоянной скоростью на текущем интервале времени между коррекциями координат по данным СНС или ГАНС. В процессе коррекции в навигационном модуле рассчитываются и вводятся в ИНС поправки координат и поправка на скорость постоянного ухода долготы. При этом существенные соотношения погрешностей ИНС вынуждают применять сглаживание или фильтрацию случайной и шулеровской составляющих. Сглаживание на основе внутренней информации ИНС малоэффективно, поэтому реализуют фильтрацию с использованием дополнительной информации о скорости АНПА от относительного вертушечного лага (постоянно) или от абсолютного гидроакустического лага (периодически). В процессе фильтрации хорошо подавляются случайная и частично-шулеровская составляющие. Но взамен их к суточной и остаточной шулеровской погрешности добавляется нордовая составляющая сноса АНПА подводным течением. Это происходит за счет того, что демпфирование по относительной скорости приводит к частичной компенсации вместе со случайной погрешностью ИНС и скорости подводного течения, которая поэтому не полностью учитывается при расчете перемещения АНПА. В результате этого снос АНПА течением в той или иной мере входит в погрешность ИНС (В канале долготы в состав погрешностей вносится часть восточной составляющей сноса течением).Moreover, the presence of sensitive elements of these two types and the use of a relative lag as a damping element leads to errors in the generation of coordinates with a complex structure (V.A. Mikhalsky, V. A. Katenin. Metrology in ship navigation and solving navigation problems. St. Petersburg, Elmore, 2009, p. 156.). The errors in the development of latitude (and the inertial rate) by the nature of their manifestation are composed of the daily, Schuler, random components and the error due to the influence of underwater currents. In the channel for generating longitude (and the gyro-azimuthal rate), these components are supplemented by the departure (trend) of longitude with an almost constant speed in the current time interval between coordinate corrections according to the SNA or HANS. In the process of correction in the navigation module, coordinate corrections and correction for the speed of constant longitude drift are calculated and entered into the ANN. At the same time, significant correlations of ANN errors compel the use of smoothing or filtering of random and Schuler components. Anti-aliasing based on internal ANN information is ineffective; therefore, filtering is implemented using additional information about the AUV speed from a relative turntable lag (constantly) or from an absolute sonar lag (periodically). In the process of filtering, random and partially Schuler components are well suppressed. But instead of them, the nordic component of the AUV demolition by the underwater current is added to the daily and residual Shuler error. This is due to the fact that damping with respect to relative velocity leads to partial compensation, together with a random error of the ANN and the velocity of the underwater flow, which therefore is not fully taken into account when calculating the movement of the AUV. As a result, the drift of the AUV by the flow to one degree or another is included in the error of the ANN (In the longitude channel, part of the eastern component of drift by the flow is included in the errors).
Кроме того, использование в качестве судна обеспечения надводного судна с буксируемым антенным модулем (приводным маяком) в ледовых условиях существенно ограничивает радиус действия АПНА наличием полыньи. Так как проведение сеанса связи возможно только при стоянке обеспечивающего судна на якоре. При этом обсервованные координаты посредством гидроакустической навигационной системы определяют по отношению к фиксированной точке (антенному модулю), размещенному на буксируемом средстве или на морском дне методом «крюйс-дальности», так как используется только один маяк-ответчик. Запрос и прием сигнала осуществляется в три различных момента времени из трех точек, в каждой из которых определяется наклонная дальность. При известной скорости АПНА по этим данным вычисляются координаты точки (φ0, λ0), в которой АПНА находится в момент времени t2. Метод «крюйс-дальности» имеет невысокую точность, так как ошибка счисления при движении АПНА между тремя точками вносит дополнительную погрешность в определение координат. Кроме того, ввиду направленности система работает при относительно небольших углах крена и дифферента.In addition, the use as a vessel of providing a surface vessel with a towed antenna module (drive beacon) in ice conditions significantly limits the radius of the APNA to the presence of wormwood. Since a communication session is possible only when the support vessel is anchored. At the same time, the observable coordinates are determined by the hydro-acoustic navigation system with respect to a fixed point (antenna module) located on a towed vehicle or on the seabed using the cruise range method, since only one responder beacon is used. The request and reception of the signal is carried out at three different points in time from three points, in each of which the slant range is determined. At a known APNA speed, the coordinates of the point (φ 0 , λ 0 ) at which the APNA is located at time t 2 are calculated from these data. The cruise range method has a low accuracy, since the calculation error during the movement of the APNA between three points introduces an additional error in the determination of coordinates. In addition, due to its directivity, the system operates at relatively small roll and trim angles.
Использование трех донных маяков-ответчиков также не решает задачу определения координат по ГАНС, так как энергетический потенциал системы невелик, и с учетом ограниченной мощности сигналов от маяка-ответчика и шумов моря определение координат возможно на расстоянии до 10 км от маяков-ответчиков (Ю.А.Лукомский, В.Г.Пешехонов, Д.А.Скороходов. Навигация и управление движением судов. СПб. «Элор», 2002, с.106-107).The use of three bottom transponder beacons also does not solve the problem of determining coordinates by HANS, since the energy potential of the system is small, and taking into account the limited power of signals from the transponder beacon and sea noise, coordinates can be determined at a distance of up to 10 km from the transponder beacons (Yu. A. Lukomsky, V. G. Peshekhonov, D. A. Skorokhodov. Navigation and ship traffic control. St. Petersburg “Elor”, 2002, pp. 106-107).
Кроме того, дискретный во времени характер поступления информации от навигационных спутников предполагает использование счисления между обсервациями, порождающего ошибки, которые превышают погрешность спутниковой навигационной системы. Относительно невысокая точность определения координат и достаточно длительное время навигационного определения оказываются неприемлемыми для приложений, таких как обеспечение позиционирования АНПА, выполнение детальной съемки морского дна на шельфе.In addition, the time-discrete nature of the information received from navigation satellites involves the use of dead reckoning between observations, which generates errors that exceed the error of the satellite navigation system. The relatively low accuracy of determining the coordinates and a sufficiently long time for navigational determination are unacceptable for applications such as ensuring the positioning of AUVs, performing detailed surveys of the seabed on the shelf.
Также необходимо учитывать, что измеряемые и определяемые параметры отсчитываются в различных системах пространственных координат, измерения ведутся в системе навигационного искусственного спутника Земли (НИСЗ), в то время как результаты навигационных определений фиксируются в системах, связанных с Землей (с ее центром в геоцентрической системе или с ее поверхностными точками в топоцентрических системах). Поэтому необходимо приводить эти данные к единой системе отсчета или, иными словами, согласовывать начала отсчета пространственных координат. Ввиду того, что орбитальное движение НИСЗ возмущается рядом факторов (таких как нецентральность поля тяготения Земли, притяжение Солнца и Луны, давление солнечного света и т.д.), то начала отсчета расходятся непрерывно, поэтому согласование необходимо проводить в каждом навигационном сеансе, а для этого АНПА должен всплывать при наличии полыни во льдах, которой в период сеанса может не оказаться.It is also necessary to take into account that the measured and determined parameters are counted in various spatial coordinate systems, the measurements are carried out in the navigation artificial satellite system of the Earth (NISS), while the results of navigation determinations are recorded in systems connected with the Earth (with its center in the geocentric system or with its surface points in topocentric systems). Therefore, it is necessary to bring this data to a single reference frame or, in other words, to coordinate the origin of spatial coordinates. Due to the fact that the orbital motion of the NLH is disturbed by a number of factors (such as the off-centerness of the Earth's gravitational field, the attraction of the Sun and the Moon, sunlight pressure, etc.), then the reference points diverge continuously, so coordination must be carried out in each navigation session, and for this AUV should emerge in the presence of wormwood in the ice, which during the session may not be.
Кроме того, формируемые алгоритмы управления для рулевых устройств по данным навигационных средств не обеспечивают необходимое быстродействие (близкое к оптимальному) АНПА по глубине, дифференту и курсу с выполнением требований по стабилизации параметров при обеспечении точности съемки рельефа морского дна (2-5 м для районов с глубинами до 100 м).In addition, the generated control algorithms for steering devices according to the navigation aids do not provide the necessary speed (close to optimal) of the AUV in depth, trim and course with the fulfillment of the requirements for stabilization of parameters while ensuring the accuracy of surveying the topography of the seabed (2-5 m for areas with depths up to 100 m).
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности определения координат АНПА и обеспечение стабилизации параметров АНПА по глубине, дифференту и курсу.The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of determining the coordinates of the AUV and ensure the stabilization of the AUV parameters in depth, trim and course.
Поставленная задача решается за счет того, что в интегрированном комплексе навигации и управления движением автономного необитаемого подводного аппарата, включающем судовой пост управления движением автономного необитаемого подводного аппарата с блоком гидроакустического телеуправления, размещенный на обеспечивающем судне, при этом обеспечивающее судно оснащено приемником спутниковой навигационной системы, системой единого времени, судовой аппаратурой управления, обработки и отображения информации, автономный необитаемый подводный аппарат оснащен приемопередающими блоками гидроакустической системы навигации с длинной базой, системой гидроакустического телеуправления и связи, навигационно-пилотажными датчиками, локальной вычислительной сетью, гидроакустическим доплеровским лагом, гирокомпасом или/и инерциальной навигационной системой, приемником спутниковой навигационной системы, магнитным компасом, измерителем глубины, системой управления рулевыми механизмами, включающей вычислитель, а еще автономный необитаемый подводный аппарат оснащен аппаратурой для выполнения гидрологических исследований, включающей гидролокатор бокового обзора, профилограф, измерители температуры и электропроводности морской среды, фотокамеры, в систему управления рулевыми механизмами введены каналы выработки сигналов стабилизации крена, дифферента, глубины и курса, дополнительно введены многолучевой эхолот, циклический скоростемер, акустический доплеровский измеритель профиля течений, гидроакустический доплеровский лаг выполнен с возможностью работы по сигналам объемной реверберации, гидроакустическая система навигации с длинной базой содержит не менее восьми донных маяков-ответчиков, гирокомпас выполнен в виде корректируемого гирокомпаса, построенного на базе динамически настраиваемого гироскопа и кварцевых акселерометров, инерциальная навигационная система построена на основе прецизионного гироскопа с электростатическим подвесом ротора, обеспечивающее судно снабжено приемо-передающим блоком гидроакустической системы навигации с длиной базой.The problem is solved due to the fact that in the integrated complex of navigation and traffic control of an autonomous uninhabited underwater vehicle, including a ship post for controlling the movement of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a hydroacoustic telecontrol unit, located on a providing vessel, while the providing vessel is equipped with a satellite navigation system receiver, system single time, shipboard equipment for managing, processing and displaying information, autonomous uninhabited stock The receiver is equipped with transceiver units of a long-base hydro-acoustic navigation system, a hydro-acoustic remote control and communication system, navigation and flight sensors, a local area network, a hydro-acoustic Doppler lag, a gyrocompass and / or inertial navigation system, a satellite navigation receiver, a magnetic compass, and a depth gauge, steering control system, including a calculator, as well as an autonomous uninhabited underwater vehicle equipped with equipment To carry out hydrological studies, including a side-scan sonar, a profilograph, temperature and conductivity meters of the marine environment, cameras, channels for generating stabilization, trim, depth and course stabilization signals were introduced into the steering control system, an additional multi-beam echo sounder, a cyclic speed meter, and acoustic Doppler were introduced flow profile meter, sonar Doppler log made with the ability to work on the signals of volumetric reverberation, sonar The long-base navigation system contains at least eight bottom transponder beacons, the gyrocompass is made in the form of an adjustable gyrocompass built on the basis of a dynamically tuned gyroscope and quartz accelerometers, the inertial navigation system is based on a precision gyroscope with an electrostatic rotor suspension, providing the vessel is equipped with a receiving and transmitting unit of a hydroacoustic navigation system with a base length.
Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что в систему управления рулевыми механизмами введены каналы выработки сигналов стабилизации крена, дифферента, глубины и курса, дополнительно введены многолучевой эхолот, циклический скоростемер, акустический доплеровский измеритель профиля течения, гидроакустический доплеровский лаг выполнен с возможностью работы по сигналам объемной реверберации, гидроакустическая система навигации с длинной базой содержит не менее восьми донных маяков-ответчиков, гирокомпас выполнен в виде корректируемого гирокомпаса, построенного на базе динамически настраиваемого гироскопа и кварцевых акселерометров, инерциальная навигационная система построена на основе прецизионного гироскопа с электростатическим подвесом ротора, обеспечивающее судно снабжено приемопередающим блоком гидроакустической системы навигации с длиной базой, позволяют исключить недостатки, присущие прототипу.New distinctive features, namely, that channels for generating stabilization, trim, depth and course stabilization signals are introduced into the steering control system, a multi-beam echo sounder, a cyclic speed meter, an acoustic Doppler flow profile meter, and sonar Doppler log are made with the ability to work on signals surround reverberation, a long-base sonar navigation system contains at least eight bottom transponder beacons, the gyrocompass is made in the form of rektiruemogo gyrocompass constructed based on dynamically tuned gyroscope and quartz accelerometers, inertial navigation system is based on a precision gyro rotor with an electrostatic suspension, the support vessel is provided with a transceiving unit sonar navigation system with a base length allows to eliminate the drawbacks of the prior art.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами (фиг.1…10).The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings (figure 1 ... 10).
Фиг.1. Структурная схема интегрированного комплекса навигации и управления движением автономного необитаемого подводного аппарата. 1 - обеспечивающее судно, снабженное постом 2 управления движением автономного необитаемого подводного аппарата с блоком гидроакустического телеуправления 3 и оснащенное приемником 4 спутниковой навигационной системы, системой единого времени 5, аппаратурой управления, обработки и отображения информации 6, приемо-передающим блоком 7 гидроакустической системы навигации с длиной базой, системой управления 8 АНПА, 9 - автономный необитаемый подводный аппарат, оснащенный приемопередающими блоками гидроакустической системы навигации 10 с длинной базой, системой гидроакустического телеуправления и связи 11, навигационно-пилотажными датчиками 12, локальной вычислительной сетью 13, гидроакустическим доплеровским лагом 14, гирокомпасом 15 или/и инерциальной навигационной системой 16, приемником 17 спутниковой навигационной системы, магнитным компасом 18, измерителем глубины 19, системой управления 20 рулевыми механизмами, включающей вычислитель 21, аппаратурой для выполнения гидрологических исследований 22, включающей гидролокатор бокового обзора 23, профилограф 24, измерители температуры 25 и электропроводности 26 морской среды, фотокамеры 27, акустический доплеровский измеритель течений 28, многолучевой эхолот 29, комплект 30 маяков-ответчиков 31 гидроакустической системы навигации с длинной базой, циклический скоростемер 32.Figure 1. Structural diagram of an integrated complex of navigation and motion control of an autonomous uninhabited underwater vehicle. 1 - providing a vessel equipped with a motion control post 2 of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a sonar remote control unit 3 and equipped with a receiver 4 of a satellite navigation system, a single time system 5, equipment for controlling, processing and displaying
Фиг.2. Блок-схема поста управления движением автономного необитаемого подводного аппарата. Пост управления движением автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) включает пульт 33 управления глубиной при отсутствии скорости хода АНПА; прибор отображения информации 34 о рекомендованных значениях курса и глубины; указатель крена 35; указатель курса 36; указатель положения вертикального руля 37; указатель положения большого кормового горизонтального руля 38; указатель положения носового горизонтального руля 39; указатель положения малого кормового горизонтального руля 40; указатель глубины (0…60 м) 41; указатель глубины под килем 42; указатель дифферента 43; пульт управления движением 44 АНПА в нормальных режимах эксплуатации; пульт управления движением 45 АНПА в аварийных ситуациях, индикаторную панель 46 для отображения заданных и текущих навигационных параметров АНПА, картографической и топографической информации.Figure 2. The block diagram of the post control the movement of an autonomous uninhabited underwater vehicle. The movement control post of an autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV) includes a
Фиг.3. Структурная схема системы управления, размещенная на АНПА. Структурная схема системы управления, размещенная на АНПА включает блок управления 47, блок усилителей 48, измеритель глубины 19, навигационно-пилотажные датчики 12, включающие измерители крена 49 и дифферента 50, приборы обратной связи 51 носового горизонтального руля, соединительные коробки 52, золотник 53 аварийного управления, золотник 54 управления, приборы обратной связи 55 вертикальных рулей, гидропривод 56 с краном манипулятором, приборы обратной связи 57 системы стабилизации без хода, гидравлический привод 58 вертикальных рулей 59, гидравлический привод 60 горизонтальных рулей 61, предсказатель 62, золотник 63 переключения, прибор обратной связи 64 кормового горизонтального руля 65, цистерны 66 стабилизации без хода.Figure 3. Block diagram of the control system, located at the AUV. The block diagram of the control system located on the AUV includes a
Фиг.4. Схема рулевых устройств АНПА. 67, 68, 69 - стабилизаторы, 70, 71 - горизонтальный руль правого и левого бортов соответственно, 72, 73 - верхняя и нижняя секции вертикального руля соответственно, 74 - внутренние секции вертикального руля, 75 - закрылки горизонтальных рулей, 76, 77 - левый и правый носовые горизонтальные рули, соответственно.Figure 4. Scheme of steering gear AUV. 67, 68, 69 - stabilizers, 70, 71 - horizontal steering wheel of the right and left sides, respectively, 72, 73 - upper and lower sections of the vertical steering wheel, respectively, 74 - internal sections of the vertical steering wheel, 75 - flaps of the horizontal steering wheels, 76, 77 - left and right nasal horizontal rudders, respectively.
Фиг.4а. Схема горизонтальных рулевых устройств.Figa. Scheme of horizontal steering devices.
Фиг.4б. Схема вертикальных рулевых устройств.Figb. Scheme of vertical steering devices.
Фиг.4в. Схема носовых горизонтальных рулей.Figv. Scheme of nasal horizontal rudders.
Фиг.5. Функциональная схема системы управления движением. Позициями обозначены: АНПА-9, рули 78; датчики соответственно заданных значений дифферента 79, курса 80, глубины погружения 81, датчики обратной связи текущих значений глубины погружения 82, курса 83, дифферента 84, скорости 85, положения горизонтальных рулей 86, положения вертикальных рулей 87, суммирующее устройство 88, вычислитель 89, блок суммарного электрического сигнала управления 90, электрогидравлический преобразователь 91.Figure 5. Functional diagram of the motion control system. Positions marked: ANPA-9,
Фиг.6. Функциональная схема канала автоматического управления движением АНПА по курсу. АНПА-9, вертикальный руль 59, датчик заданного курса 80, датчики обратной связи текущих значений положения вертикальных рулей 87, курса 83, суммирующее устройство 88, вычислитель 89, блок суммарного электрического сигнала управления 90, электрогидравлический преобразователь 91.6. Functional diagram of the automatic control unit of the AUV on the course. ANPA-9,
Фиг.7. Функциональная схема вычислительного устройства скорости изменения курса. Блок формирования изменения курса вычислителя 89 включает суммирующее устройство 92, на которое подаются значения заданного и фактического курса, блок 93 формирования скорости изменения курса, блок 94 формирования суммарной ошибки, суммирующее устройство 95, блоки нелинейности 96 и 97, блок ограничения 98. Блок нелинейности 96 и блок ограничения 98 образуют линейный ограничитель 99.7. Functional diagram of a computing device rate of change of course. The course change forming unit of the
Фиг.8. Функциональная схема канала автоматического управления АНПА по глубине. АНПА-9, схема ввода заданных значений дифферента и глубины погружения 100, суммирующее устройство 101, на которое поступают заданные и текущие значения дифферента и глубины погружения, микропроцессор 102, блок формирования суммарного сигнала управления 103, электрогидравлический преобразователь 104, горизонтальные рули 76 и 77.Fig. 8. Functional diagram of the automatic control unit AUV in depth. ANPA-9, a scheme for inputting target trim values and
Фиг.9. Функциональная схема вычислительного устройства канала управления АНПА по глубине. Суммирующее устройство 105, блоки нелинейности 106 и 107, выходной сумматор 108, включающий блоки нелинейности 109 и 110, блок формирования скорости изменения дифферента 111, блок формирования скорости изменения глубины 112, суммирующее устройство 113.Fig.9. Functional diagram of the computing device of the AUV control channel in depth. The
Фиг.10. Структурная схема циклического скоростемера. Циклический скоростемер представляет собой замкнутое через морскую воду 114 акустическое кольцо синхронизации, образованное двумя акустическими преобразователями 115 (излучающий преобразователь) и 116 (приемный преобразователь), усилителем 117 и импульсным генератором 118, запускаемым по сигналам с выхода усилителя 117. Частота следования импульсов в подобном кольце пропорциональна скорости звука в воде. В частотном дискриминаторе 119 эта частота следования сравнивается с частотой излучаемого гидроакустическими средствами (лага, или эхолота, или профилографа, или гидролокатора бокового обзора), который представляет собой гармонику сигнала в кольце. При изменении скорости звука в воде на выходе частотного дискриминатора 119 появляется управляющее напряжение того или иного знака, изменяющее соответствующим образом частоту излучаемого гидроакустическим средством сигнала. При этом автоматически поддерживается постоянной длина волны колебаний, излучаемых тем или иным гидроакустическим средством. Делитель частоты 120 соединен своим входом с выходом генератора 121, управляемого напряжением, который своим входом соединен с выходом частотного дискриминатора 119, а своим выходом соединен с усилителем мощности 122 излучаемого сигнала.Figure 10. Block diagram of a cyclic speed meter. The cyclic speed meter is an acoustic synchronization ring closed through
Пример реализации предлагаемого технического решения.An example of the implementation of the proposed technical solution.
Автономный необитаемый подводный аппарат 9 оснащен приемопередающими блоками гидроакустической системы навигации 10 с длинной базой, системой гидроакустического телеуправления и связи 11, навигационно-пилотажными датчиками 12, локальной вычислительной сетью 13, гидроакустическим доплеровским лагом 14, гирокомпасом 15 или/и инерциальной навигационной системой 16, приемником 17 спутниковой навигационной системы, магнитным компасом 18, измерителем глубины 19, системой управления 20 рулевыми механизмами, включающей вычислитель 21, аппаратурой для выполнения гидрологических исследований 22, включающей гидролокатор бокового обзора 23, профилограф 24, измерители температуры 25 и электропроводности 26 морской среды, фотокамеры 27, акустический доплеровский измеритель течений 28, многолучевой эхолот 29, комплект 30 маяков-ответчиков 31 гидроакустической системы навигации с длинной базой, циклический скоростемер 32.Autonomous unmanned
Навигационно-пилотажные датчики 12, гидроакустический доплеровский лаг 14, гирокомпас 15 или/и инерциальная навигационная система 16, приемник 17 спутниковой навигационной системы, магнитный компас 18, измеритель глубины 19, акустический доплеровский измеритель течений 28, многолучевой эхолот 29, бортовые приемопередатчики гидроакустической системы навигации с длинной базой и циклический скоростемер 32 образуют навигационный модуль и представляют собой промышленные изделия.Navigation and flight sensors 12, sonar Doppler log 14, gyrocompass 15 or / and inertial navigation system 16, receiver 17 of the satellite navigation system, magnetic compass 18,
Гидроакустическая навигационная система с длинной базой содержит навигационную базу из 8-ми гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенный на объекте навигации гидроакустический приемопередатчик, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками.A long-base hydro-acoustic navigation system contains a navigation base of 8 hydro-acoustic transponders with different response frequencies and a hydro-acoustic transceiver located on the navigation object, by which the signal propagation time intervals are measured with their subsequent conversion into the distance between the underwater object and the hydro-acoustic transponders.
Комплект из 8-ми гидроакустических приемоответчиков обусловлен ограничениями по интерфейсному и программному обеспечению.A set of 8 sonar transponders is subject to restrictions on interface and software.
Приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов, каждая секция антенны состоит из двух одноканальных и одного многоканального модуля, установленных на линейном несущем кронштейне, выполненном перфорированным, антенны приемников выполнены в форме сферической поверхности и размещены на стальной пластине.The receiving hydroacoustic antenna consists of four hydrophones, each section of the antenna consists of two single-channel and one multi-channel module mounted on a linear support bracket made perforated, the receiver antennas are made in the form of a spherical surface and placed on a steel plate.
Маяки-ответчики 31 могут быть расположены как по трасе исследований, так и по исследуемой площади морского дна. Маяки-ответчики могут быть расположены в произвольном порядке. На обеспечивающем судне 1 также размещен приемопередающий блок 7 гидроакустической системы навигации с длиной базой, что позволяет определять координаты АНПА 9, как относительно маяков-ответчиков 31, так и обеспечивающего судна 1, а также относительно маяков-ответчиков 31 и обеспечивающего судна 1.Lighthouses-responders 31 can be located both on the route of research, and on the investigated area of the seabed. Beacons-responders can be arranged in random order. A transceiving unit 7 of a sonar navigation system with a base length is also located on the supply vessel 1, which makes it possible to determine the coordinates of the
При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении точности и надежности при обеспечении навигации подводных объектов, когда использование спутниковой навигационной системы затруднено.This achieves the technical result, which consists in increasing the accuracy and reliability while ensuring navigation of underwater objects, when the use of a satellite navigation system is difficult.
Аналогом гидроакустической навигационной системы с длинной базой и М маяками-ответчиками является гидроакустическая навигационная система, приведенная в патенте RU №2371738.An analogue of the sonar navigation system with a long base and M beacon responders is the sonar navigation system described in patent RU No. 2371738.
В зависимости от размеров АНПА, для определения инерциальных параметров, возможно применение гирокомпаса типа «Гюйс», который представляет собой корректируемый гирокомпас, построенный на базе динамически настраиваемого гироскопа и кварцевых акселерометров (Ю.А.Лукомский, В.Г.Пешехонов, Д.А.Скороходов. Навигация и управление движением судов. СПб, «Элор», 2002, с.55) или/и инерциальную навигационную систему (ИНС), построенную на поплавковых или прецизионных гироскопах с электростатическим подвесом ротора (Ю.А.Лукомский, В.Г.Пешехонов, Д.А.Скороходов. Навигация и управление движением судов. СПб, «Элор», 2002, с.77).Depending on the size of the AUV, to determine the inertial parameters, it is possible to use the gyus gyrocompass, which is an adjustable gyrocompass built on the basis of a dynamically tuned gyroscope and quartz accelerometers (Yu.A. Lukomsky, V.G. Peshekhonov, D.A. . Skorokhodov. Navigation and ship traffic control. St. Petersburg, "Elor", 2002, p. 55) or / and inertial navigation system (ANN), built on float or precision gyroscopes with electrostatic rotor suspension (Yu.A. Lukomsky, V. G.Peshekhonov, D.A.Skoro moves. Navigation and traffic management. St. Petersburg, "Elor", 2002, p.77).
Для технической реализации предлагаемого изобретения использована корректируемая ИНС, которая, используя информацию гироскопов и акселерометров, обеспечивает автономную выработку навигационных и динамических параметров движения АНПА, используя корректирующую информацию спутниковой навигационной системы (СНС) о координатах места объекта. В сложных условиях эксплуатации спутниковой системы, при сокращении орбитальной группировки космических аппаратов, реализуется резервный режим коррекции инерциальной системы по данным первичных измерений. Система работает таким образом, что по данным внешней информации и навигационных данных ИНС формируются сигналы коррекции системы, что повышает точность навигационных определений в штатных условиях функционирования, например в условиях сбоев работы ГАНС.For the technical implementation of the invention, a corrected ANN was used, which, using information from gyroscopes and accelerometers, provides autonomous generation of navigation and dynamic motion parameters of AUVs, using the corrective information of the satellite navigation system (SNA) about the coordinates of the object. In difficult operating conditions of the satellite system, with a reduction in the orbital constellation of spacecraft, a standby mode of inertial system correction is implemented according to primary measurements. The system works in such a way that according to external information and navigation data of the ANNs, system correction signals are generated, which increases the accuracy of navigation definitions under normal operating conditions, for example, in the event of failure of the HANS.
В качестве измерителя скорости АНПА применен гидроакустический корреляционный лаг, измерение скорости которым можно производить как относительно морского дна, так и относительно масс воды по сигналам объемной реверберации, что исключает необходимость использования относительного лага, имеющего низкую точность измерения скорости.A hydro-acoustic correlation lag was used as an ANA speed meter, the speed of which can be measured both relative to the seabed and relative to the masses of water using volume reverb signals, which eliminates the need to use a relative lag having a low accuracy of velocity measurement.
Аналогом гидроакустического корреляционного лага является лаг типа «SAL-ACCOR» (Судовые измерители скорости. Под ред. Хребтова А.А., Л., Судостроение, 1978, с.159-166).An analogue of the hydroacoustic correlation lag is the SAL-ACCOR type lag (Ship speed meters. Edited by A. A. Khrebtov, L., Sudostroenie, 1978, pp. 159-166).
Для измерения скорости течения на АНПА-9 установлен акустический доплеровский измеритель профиля течения 28 с диапазоном измерения скорости до 100 см/с и высоты профиля не менее 100 м, а для измерения скорости звука в морской воде установлен циклический скоростемер 32 (Судовые измерители скорости. Под ред. Хребтова А.А., Л., Судостроение, 1978, с.133), что исключает необходимость определения скорости звука в морской воде расчетным путем по косвенным данным.To measure the flow velocity, the ANPA-9 has an acoustic Doppler flow profile meter 28 with a measuring range of up to 100 cm / s and a profile height of at least 100 m, and a cyclic speed meter 32 is installed to measure the speed of sound in sea water (Ship speed meters. Edited by A. A. Khrebtov, L., Shipbuilding, 1978, p.133), which eliminates the need to determine the speed of sound in sea water by calculation using indirect data.
Аналогами гидроакустических средств зондирования (многолучевой эхолот, профилограф, гидролокатор бокового обзора) являются аналогичные средства, приведенные в кн. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону, «Ростиздат», 2004. - 400 с.Analogs of sonar sounding aids (multi-beam echo sounder, profilograph, side-scan sonar) are similar means given in the book. Voronin V.A., Tarasov S.P., Timoshenko V.I. Hydroacoustic parametric systems. Rostov-on-Don, Rostizdat, 2004. - 400 p.
Система управления движением АНПА (СУД АНПА) предназначена для автоматического, дистанционного и аварийного управления движением АНПА по курсу, глубине, а также для управления его дифферентом.The ANPA motion control system (ANPA COURT) is designed for automatic, remote and emergency control of the ANPA movement at the heading, depth, and also for controlling its trim.
Управление маневрированием АНПА и его пространственное движение условно разделяют на движение в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В качестве критерия динамической устойчивости используют критерий:AUV maneuvering control and its spatial movement are conventionally divided into movement in the vertical and horizontal planes. As a criterion of dynamic stability, use the criterion:
где Cy, 
где М - масса АНПА; D - полное водоизмещение; L - длина АНПА.where M is the mass of AUV; D is the total displacement; L is the length of the AUV.
АНПА динамически устойчив при отрицательной величине коэффициента х. При х=0 АНПА динамически нейтрален. При x>0 ПА динамически неустойчив. Высокие скорости движения и сравнительно небольшие глубины погружения современных АНПА обеспечивают его динамическую устойчивость при движении в вертикальной плоскости. При движении в горизонтальной плоскости явление неустойчивости АНПА не грозит пагубными последствиями, такими как возможность его провала за рабочую глубину. Однако АНПА обладают инверсной скоростью, при которой АНПА не управляется кормовыми горизонтальными рулями (ГР). В этом случае центр давления ГР проходит через центр балансировки. При сравнительно высоких скоростях хода положительная перекладка рулей приводит к погружению АНПА. На малых скоростях та же перекладка становится причиной всплытия АНПА. Для современных АНПА инверсная скорость обычно составляет 1,5…4 уз. Для носовых ГР инверсная скорость не имеет значения, т.к. они расположены вне центра перемещения балансировки.AUV is dynamically stable at a negative value of the coefficient x. At x = 0, the AUV is dynamically neutral. For x> 0, PA is dynamically unstable. High speeds and relatively small immersion depths of modern AUVs provide its dynamic stability when moving in a vertical plane. When moving in a horizontal plane, the phenomenon of instability of the AUV does not threaten harmful consequences, such as the possibility of its failure for the working depth. However, the AUVs have an inverse speed at which the AUVs are not controlled by aft horizontal rudders (GR). In this case, the center of pressure of the GR passes through the center of balancing. At relatively high speeds, a positive shift of the rudders leads to the immersion of the AUV. At low speeds, the same shifting causes the emergence of the AUV. For modern AUVs, the inverse speed is usually 1.5 ... 4 knots. For nasal GRs, the inverse speed does not matter, because they are located outside the center of movement of the balancing.
В ходе проведения исследовательских работ с использованием АНПА в процессе пространственной циркуляции совершается маневрирование АНПА по курсу, с одновременным движением в поперечном плоскости по крену. При этом при появлении угла дрейфа возникает поперечное обтекание АНПА, при котором появляются возмущающие гидродинамические силы в вертикальной плоскости, меняются условия балансировки АНПА и возникает необходимость стабилизации АНПА по глубине.During research work using the AUV in the process of spatial circulation, the AUV is maneuvered along the course, with simultaneous movement in the transverse plane along the roll. In this case, when a drift angle appears, a transverse flow around the AUV occurs, at which disturbing hydrodynamic forces appear in the vertical plane, the conditions for balancing the AUV change, and there is a need to stabilize the AUV in depth.
Также была выявлена структурная неустойчивость движения АНПА, установлена существенная зависимость кренящих моментов от знака балансировочных углов дифферента и кормовых горизонтальных рулей при циркуляции, что требует координированного управления перьями вертикальных и горизонтальных рулей АНПА при пространственной циркуляции. При циркуляции в подводном положении современные АНПА имеют внутренний крен, вызванный превышением центра давления над центром тяжести из-за наличия выступающих конструктивных элементов корпуса, например рубки. При этом, угол крена АНПА может достигать 30…35° в начальный период выполнения маневра и 1…10° на установившейся циркуляции.The structural instability of the AUV movement was also revealed, a significant dependence of the heeling moments on the sign of the balancing angles of the trim and the stern horizontal rudders during circulation was established, which requires coordinated control of the feathers of the vertical and horizontal rudders of the AUV during spatial circulation. When circulating in the underwater position, modern AUVs have an internal roll caused by the excess of the center of pressure over the center of gravity due to the presence of protruding structural elements of the hull, for example, cutting. At the same time, the ANPA roll angle can reach 30 ... 35 ° in the initial period of the maneuver and 1 ... 10 ° in the steady circulation.
При пространственном маневрировании АНПА осуществляется одновременный переход по курсу и глубине при координированном управлении креном. Основной критерий при пространственном маневрировании - быстродействие переходных процессов по курсу и глубине при наложении ограничений на текущие координаты по углу крена и дифферента. Кроме того, требуется обеспечить выход АНПА на заданную глубину и курс с определенной величиной перерегулирования, не превышающей заданные параметры. Натурные испытания АНПА показали, что наблюдается существенное влияние кренящих моментов как на устойчивость процесса стабилизации АНПА, так и на динамику пространственных маневров. Координированное управление рулями при пространственном маневрировании позволило повысить на 40…60% быстродействие управления АНПА для сильных маневров по глубине, углы дифферента АНПА при подводном маневрировании достигают 20…30°, а скорость погружения или всплытия 6…9 м/с.With spatial maneuvering of the AUV, a simultaneous transition along the course and depth is carried out with the coordinated roll control. The main criterion for spatial maneuvering is the speed of transients along the course and depth when restrictions are imposed on the current coordinates by the angle of heel and trim. In addition, it is required to ensure the output of the AUV to a predetermined depth and course with a certain amount of overshoot that does not exceed the specified parameters. Field tests of AUVs showed that there is a significant influence of heeling moments both on the stability of the AUVU stabilization process and on the dynamics of spatial maneuvers. Coordinated steering control during spatial maneuvering made it possible to increase the AUV control performance for strong depth maneuvers by 40 ... 60%, the AUV trim angles during underwater maneuvering reach 20 ... 30 °, and the speed of immersion or ascent is 6 ... 9 m / s.
Возможны три случая маневрирования ПА по курсу, в которых предполагается:There are three cases of maneuvering the PA at the rate in which it is assumed:
1) наличие запаса по мощности ГЭУ;1) the availability of power reserve of the power plant;
2) отсутствие запаса по мощности ГЭУ;2) lack of power reserve for power plants;
3) движение на минимальной скорости хода.3) movement at minimum speed.
В первом случае необходимо увеличение скорости до значения, обеспечивающего оптимальное маневрирование АНПА с учетом ограничений на углы перекладки. Во втором случае требуется снижение скорости хода до значения, соответствующего максимально возможной угловой скорости циркуляции при ограничении на кладку нижнего пера ВР. В третьем случае возникает необходимость форсированного увеличения скорости хода АНПА при циркуляции с одновременным выходом в конце переходного периода по заданным значениям курса и скорости хода. Эти мероприятия обеспечивают сокращение времени выхода на заданный курс на 30…50%. В целом координированное управление рулями и оборотами главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) существенно повышает маневренные характеристики АНПА.In the first case, it is necessary to increase the speed to a value that ensures optimal maneuvering of the AUV, taking into account restrictions on the angles of shift. In the second case, it is necessary to reduce the speed to a value corresponding to the maximum possible angular velocity of circulation, while restricting the laying of the lower pen of BP. In the third case, there is a need for a forced increase in the speed of the AUV during circulation with a simultaneous exit at the end of the transition period according to the given values of the course and speed. These measures provide a reduction in time to reach a given course by 30 ... 50%. In general, the coordinated control of the rudders and revolutions of the main turbo-gear unit (GTZA) significantly increases the maneuverability of the AUV.
При движении АНПА на малых скоростях хода в целях обеспечения его форсированного выхода на глубину, позволяющую использовать спутниковый канал связи, возникает задача совместного управления рулями и цистернами вспомогательного и специального балласта. Управление рулями строится по бездифферентной схеме, при которой кормовые рули стабилизируют дифферент АНПА, а носовые рули, совместно с управлением плавучестью балластных цистерн, создают подъемную или топящую силу для маневрирования АНПА по глубине. Совместное управление плавучестью и рулями позволило повысить быстродействие АНПА при управлении глубиной погружения и в целом существенно улучшить его маневренные характеристики на малых скоростях.When AUV moves at low speeds in order to ensure its forced exit to a depth that allows the use of a satellite communication channel, the problem arises of joint control of rudders and tanks of auxiliary and special ballast. The control of the rudders is based on an undifferentiated scheme, in which the stern rudders stabilize the AUV trim, and the nasal rudders, together with the control of the buoyancy of ballast tanks, create a lifting or drowning force for maneuvering the AUV in depth. Joint management of buoyancy and rudders made it possible to increase the speed of the AUV while controlling the depth of immersion and, on the whole, to significantly improve its maneuverability at low speeds.
Стабилизация невозмущенного движения включает режим плавания у дифферентованного АНПА на больших глубинах, где практически отсутствует влияние взволнованной поверхности моря, придонных течений. В целом, в этом режиме плавания влияние внешних возмущающих воздействий не соизмеримо с эффективностью регулирующих органов, в качестве которых используются горизонтальные и вертикальные рули с разрезной конструкцией баллера. В данном режиме плавания осуществляется автоматическая стабилизация угловых пространственных координат движения АНПА: крена, дифферента, курса и глубины погружения. В зависимости от скорости хода АНПА рули подключаются к управлению в различном сочетании, определяемом условиями эксплуатации АНПА. В частности, стабилизация курса осуществляется на максимальных скоростях хода в подводном положении с использованием верхнего пера руля, либо верхнего и нижнего пера руля, в надводном положении - с использованием нижнего пера вертикального руля.Stabilization of the unperturbed movement includes the swimming regime of the trimmed AUV at great depths, where the influence of the excited sea surface and bottom currents is practically absent. In general, in this swimming mode, the influence of external disturbances is not commensurate with the effectiveness of regulatory bodies, which are used as horizontal and vertical rudders with a split construction of the balloon. In this swimming mode, automatic stabilization of the angular spatial coordinates of the AUV movement is performed: roll, trim, course and depth of immersion. Depending on the travel speed of the AUV, the rudders are connected to the control in a different combination, determined by the operating conditions of the AUV. In particular, the stabilization of the course is carried out at maximum speeds underwater using the upper feather of the steering wheel, or the upper and lower feathers of the steering wheel, in the surface position - using the lower feather of the vertical steering wheel.
Стабилизация крена осуществляется при использовании кормовых, носовых и вертикальных рулей раздельно и совместно со стабилизацией курса и глубины погружения. Стабилизация дифферента осуществляется с использованием кормовых больших и малых горизонтальных рулей. Стабилизация глубины погружения осуществляется с использованием больших и малых кормовых горизонтальных рулей совместно с носовыми рулями. Бездифферентное управление АНПА обеспечивается использованием носовых рулей по глубине, а кормовых рулей по дифференту. На средних и малых скоростях хода на АНПА начинают влиять внешние возмущения, такие как обжатие корпуса, изменение плотности морской воды, течения моря и т.п., приводящие к раздифферентовке АНПА по силе и моменту.The stabilization of the roll is carried out using aft, bow and vertical rudders separately and in conjunction with stabilization of the course and depth of immersion. Trim stabilization is carried out using aft large and small horizontal rudders. Stabilization of the immersion depth is carried out using large and small aft horizontal rudders together with bow rudders. The differential control of the AUV is ensured by the use of the bow rudders in depth, and the stern rudders by the trim. At medium and low speeds, external disturbances, such as the compression of the hull, changes in the density of sea water, sea currents, etc., begin to influence the AUV, leading to the differentiation of the AUV in terms of force and moment.
При плавании на небольшой глубине от поверхности воды серьезной проблемой становится обеспечение устойчивой стабилизации глубины и дифферента АНПА. Это обусловлено влиянием взволнованной поверхности моря, воздействием экранных сил, зависящих от глубины погружения, скорости хода и курсового угла движения к направлению распространения волн, существенно меняющих устойчивость стабилизации АНПА [3.4]. В связи с неопределенностью спектральных характеристик волнения, значений положительной нормальной силы, способствующей выбрасыванию АНПА на поверхность, при всплытии на перископную глубину практически невозможна точная дифферентовка АНПА по силе и моменту. Это приводило к срыву режима стабилизации, подвсплытию АНПА, оголению винтов при изменении дифферента. При этом исследования показали, что введение носовых горизонтальных рулей для стабилизации АНПА на перископной глубине обеспечивает устойчивость стабилизации АНПА в целом. Однако влияние волновых помех приводит к уменьшению компенсационных возможностей носовых рулей, и устойчивость резко снижается. При волнении ухудшается управляемость АНПА в надводном положении и, в частности, при изменении курса возникают большие перерегулирования относительно нового курса.When swimming at a shallow depth from the surface of the water, ensuring stable stabilization of the depth and trim of the AUV becomes a serious problem. This is due to the influence of the excited surface of the sea, the influence of screen forces, which depend on the depth of immersion, speed and course angle of movement to the direction of wave propagation, which significantly change the stability of ANPA stabilization [3.4]. Due to the uncertainty of the spectral characteristics of the waves, the values of the positive normal force that contributes to the ejection of the AUV to the surface, when ascending to a periscopic depth, it is practically impossible to accurately differentiate the AUV by force and moment. This led to the failure of the stabilization mode, sub-floatation of the AUV, exposure of the screws when changing the trim. At the same time, studies have shown that the introduction of horizontal nasal rudders to stabilize the AUV at the periscopic depth provides stability for the stabilization of the AUV as a whole. However, the influence of wave interference leads to a decrease in the compensatory capabilities of the nasal rudders, and stability is sharply reduced. With agitation, the controllability of the AUV in the surface position worsens and, in particular, when the course changes, large overshoots arise relative to the new course.
Специфика применения способа всплытия "без хода" для приледнения АНПА в высокоширотных акваториях относит этот режим плавания к числу наиболее важных.The specifics of the use of the “no-go” ascent method for ice-covered AUVs in high-latitude waters classifies this swimming regime as one of the most important.
Особенность построения алгоритмов управления заключается в необходимости обеспечения требуемого запаса устойчивости стабилизации при существенном влиянии сил обжатия прочного корпуса АНПА, всплытия с регулируемой скоростью изменения глубины погружения и учета дифферентующих моментов АНПА, вызванных смещением плеча цистерн управления плавучестью относительно его центра тяжести.The peculiarity of constructing control algorithms is the need to ensure the required margin of stability of stabilization with a significant influence of the compression forces of the durable AUV body, ascent with an adjustable rate of change in the depth of immersion, and taking into account the differentiating moments of the AUV caused by the displacement of the shoulder of the buoyancy control tanks relative to its center of gravity.
Для управления движением АНПА на обеспечивающем судне организуется пост управления движением автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), который включает (фиг.2) пульт 33 управления глубиной при отсутствии скорости хода АНПА; прибор отображения информации 34 о рекомендованных значениях курса и глубины; указатель крена 35; указатель курса 36; указатель положения вертикального руля 37; указатель положения большого кормового горизонтального руля 38; указатель положения носового горизонтального руля 39; указатель положения малого кормового горизонтального руля 40; указатель глубины (0…60 м) 41; указатель глубины под килем 42; указатель дифферента 43; пульт управления движением 44 АНПА в нормальных режимах эксплуатации; пульт управления движением 45 АНПА в аварийных ситуациях, индикаторную панель 46 для отображения заданных и текущих навигационных параметров АНПА, картографической и топографической информации.To control the movement of the AUV on the supplying vessel, a post for controlling the movement of an autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV) is organized, which includes (Fig. 2) a
Маневрирование АНПА в пространстве при наличии скорости хода обеспечивают рулевые комплексы. Для более эффективности управления рули максимально удалены от корпуса АНПА. В зависимости от места расположения рули могут быть кормовыми, носовыми, средними и рубочными (при наличии рубки). В свою очередь, кормовые рули подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Вертикальные рули обеспечивают управление курсом АНПА, горизонтальные рули - дифферентом и глубиной погружения. Применение на АНПА двух пар горизонтальных рулей объясняется, прежде всего, наличием инверсионной скорости хода. При этом значении скорости и более низких управление АНПА с помощью кормовых горизонтальных рулей становится невозможным. В таких случаях управление производится носовыми горизонтальными рулями.Maneuvering AUVs in space in the presence of speed provide steering systems. For more efficient steering, the rudders are as far removed from the AUV body. Depending on the location of the steering wheels can be aft, bow, middle and chopping (if chopping). In turn, the aft steering wheels are divided into vertical and horizontal. Vertical rudders provide control over the AUV course, horizontal rudders provide trim and immersion depth. The use of two pairs of horizontal rudders on the AUV is explained, first of all, by the presence of an inverse speed. With this value of speed and lower, control of the AUV with the help of aft horizontal rudders becomes impossible. In such cases, the control is performed by horizontal bow rudders.
Кроме того, при координированном управлении двумя парами горизонтальных рулей обеспечивается более эффективное и безопасное маневрирование АНПА по глубине на всех скоростях хода.In addition, with the coordinated control of two pairs of horizontal rudders, a more effective and safe depth-guiding maneuvering of the AUV is provided at all speeds.
С целью повышения живучести в настоящее время все более широкое применение получают рулевые устройства, в которых перья рулей не имеют жесткой связи между собой и могут перекладываться независимо друг от друга. При нормальной эксплуатации это дает возможность умерять статический крен от гребного винта при стабилизации глубины погружения и курса АНПА, а при циркуляциях - умерять динамический крен.In order to increase survivability, steering devices are currently being used more and more widely, in which the rudder feathers do not have a rigid connection with each other and can be shifted independently of each other. During normal operation, this makes it possible to moderate the static roll from the propeller while stabilizing the immersion depth and the AUV course, and during circulation, to moderate the dynamic roll.
Схема рулевых устройств АНПА 9 приведена на фиг.4.The diagram of the
Функционально система управления движением представляет собой совокупность следующих подсистем:Functionally, the motion control system is a combination of the following subsystems:
- подсистема нормального управления на ходу, осуществляющая формирование алгоритмов нормального управления, как автоматического, так и дистанционного;- the normal control subsystem on the go, generating normal control algorithms, both automatic and remote;
- подсистема противоаварийного управления, осуществляющая алгоритмы выявления аварийных ситуаций, выработку рекомендаций по локализации аварийных ситуаций и выработку управляющих воздействий на исправные технические средства;- emergency control subsystem implementing algorithms for identifying emergency situations, developing recommendations for the localization of emergency situations and developing control actions on working equipment;
- подсистема управления глубиной при отсутствии хода;- depth control subsystem in the absence of progress;
- локальная система управления, осуществляющая по управляющим сигналам от подсистемы нормального и противоаварийного управления выработку сигналов управления на исполнительные органы.- a local control system that generates control signals to the executive bodies based on control signals from the normal and emergency control subsystem.
Подсистема нормального управления представляет собой двух- или трехканальную систему (в зависимости от проекта АНПА и принятого на нем числа каналов, а также гидравлики управления рулевой машиной). При этом число каналов решающей части во всех случаях одинаково и составляет три. Подсистема управления глубиной погружения в режиме стабилизации глубины "без хода" представляет собой одноканальную систему автоматического и дистанционного управления.The normal control subsystem is a two- or three-channel system (depending on the AUV project and the number of channels adopted on it, as well as the steering hydraulics). Moreover, the number of channels of the decisive part is the same in all cases and is three. The subsystem for controlling the depth of immersion in the stabilization depth mode "without stroke" is a single-channel automatic and remote control system.
Структура алгоритмов управления имеет следующий вид:The structure of control algorithms is as follows:
а) 
где ψ'=ψ-ψзад - рассогласование по дифференту; kψ, 
Этот вид управления обеспечивает стабилизацию дифферента.This type of control stabilizes the trim.
б) 
где Δη - рассогласование по глубине; kψA, kψ - коэффициенты регулирования,where Δη is the mismatch in depth; k ψA , k ψ - regulation coefficients,
где 
Автоматическое управление с помощью кормовых горизонтальных рулей осуществляется на основе алгоритмов (9) и (10) и обеспечивает устойчивое управление с требуемым качеством в режимах стабилизации и маневрирования. Автоматическое управление глубиной с помощью носовых горизонтальных рулей осуществляется на основе алгоритма (11). Одновременное использование кормовых горизонтальных рулей по алгоритму (11) позволит получить новое качество - управление с малым дифферентом (2…3°), определяемым статическими свойствами алгоритма (8).Automatic control using aft horizontal rudders is based on algorithms (9) and (10) and provides stable control with the required quality in stabilization and maneuvering modes. Automatic depth control with the help of bow horizontal rudders is carried out on the basis of algorithm (11). The simultaneous use of aft horizontal rudders according to the algorithm (11) will allow to obtain a new quality - control with a small trim (2 ... 3 °), determined by the static properties of the algorithm (8).
в) управление курсом осуществляется с помощью вертикальных рулей на основе алгоритма:c) course control is carried out using vertical rudders based on the algorithm:
где kφ, kφ, k∫ - коэффициенты регулирования.where k φ , k φ , k ∫ are the regulation coefficients.
Система управления движением подводного аппарата (СУД ПА) предназначена для автоматического, дистанционного и аварийного управления движением ПА по курсу, глубине, а также для управления его дифферентом и включает следующие узлы и механизмы (фиг.3): блок управления 47, блок усилителей 48, измеритель глубины 19, навигационно-пилотажные датчики 12, включающие измерители крена 49 и дифферента 50, приборы обратной связи 51 носового горизонтального руля, соединительные коробки 52, золотник 53 аварийного управления, золотник 54 управления, приборы обратной связи 55 вертикальных рулей, гидропривод 56 с краном манипулятором, приборы обратной связи 57 системы стабилизации без хода, гидравлический привод 58 вертикальных рулей 59, гидравлический привод 60 горизонтальных рулей 61, предсказатель 62, золотник 63 переключения, прибор обратной связи 64 кормового горизонтального руля 65, цистерны 66 стабилизации без хода.The motion control system of the underwater vehicle (SUD PA) is designed for automatic, remote and emergency control of the movement of the PA in the course, depth, and also for controlling its trim and includes the following components and mechanisms (Fig. 3):
Основные функции системы и, соответственно, основные каналы: управление движением по курсу; управление движением по глубине; стабилизация заданного дифферента; стабилизации глубины без хода.The main functions of the system and, accordingly, the main channels: control of movement along the course; depth movement control; stabilization of a given trim; depth stabilization without stroke.
В каждом канале управления осуществляются следующие виды управления:In each control channel, the following types of control are carried out:
- автоматическое управление (АУ);- automatic control (AU);
- дистанционное управление (ДУ);- remote control (DU);
- аварийное управление (АВУ).- emergency management (AVU).
Между перечисленными видами управления существует определенная система приоритетов, которую необходимо иметь в виду при эксплуатации. Смысл ее заключается в следующем. Во-первых, в качестве основного режима управления в системе принят режим автоматического управления. Этот режим используется в подавляющем большинстве случаев. Однако если в режиме АУ оператор примет управление "на себя" одновременно с действием автоматики (т.е. начнет осуществлять дистанционное управление), то регулирующие органы (рули) будут реагировать на сигналы ДУ, а не АУ. И в то же время, если при включенном режиме АУ или ДУ производим аварийное управление рулями, то рули не будут реагировать на сигналы АУ или ДУ. Таким образом, режим аварийного управления обладает наивысшим приоритетом по сравнению со всеми остальными; в то же время режим автоматического управления оказывается основным по использованию.Between the listed types of management, there is a certain system of priorities that must be borne in mind during operation. Its meaning is as follows. Firstly, the automatic control mode is adopted as the main control mode in the system. This mode is used in the vast majority of cases. However, if in the AU mode the operator will take control "upon himself" simultaneously with the action of the automation (that is, it will begin to carry out remote control), then the regulatory bodies (rudders) will respond to the remote control signals, not the AU. And at the same time, if, when the AU or DU mode is on, we perform emergency control of the rudders, then the rudders will not respond to the signals of the AU or DU. Thus, emergency control mode has the highest priority compared to all others; at the same time, the automatic control mode turns out to be the main one for use.
По характеру используемых источников энергии система является электрогидравлической. Это означает, что функционально СУД состоит из двух частей - электрической и гидравлической. Электрическая часть представляет собой электронную схему формирования сигнала управления, который, воздействуя на гидравлическую часть, осуществляет изменение положения регулирующих органов.By the nature of the energy sources used, the system is electro-hydraulic. This means that functionally the COURT consists of two parts - electrical and hydraulic. The electrical part is an electronic circuit for generating a control signal, which, acting on the hydraulic part, changes the position of regulatory bodies.
Поскольку в системе управления движением АНПА используются классические принципы построения САУ, в частности принцип регулирования "по отклонению", в ее состав входят все функциональные элементы, присущие такой системе: объект регулирования; датчик и задатчик регулируемой величины; суммирующее устройство (сумматор); усилитель; исполнительный механизм; исполнительные органы.Since the AUVA motion control system uses the classical principles of ACS construction, in particular the “deviation” regulation principle, it includes all the functional elements inherent in such a system: regulation object; sensor and adjuster; summing device (adder); amplifier; actuating mechanism; executive bodies.
Функциональная схема СУД АНПА приведена на фиг.5. АНПА - 9, рули 78; датчики соответственно заданных значений дифферента 79, курса 80, глубины погружения 81, датчики обратной связи текущих значений глубины погружения 82, курса 83, дифферента 84, скорости 85, положения горизонтальных рулей 86, положения вертикальных рулей 87, суммирующее устройство 88, вычислитель 89, блок суммарного электрического сигнала управления 90, электрогидравлический преобразователь 91.The functional diagram of the AUV COURT is shown in Fig.5. ANPA - 9,
Объект регулирования системы - АНПА 9; его регулируемыми параметрами, в зависимости от режима работы, могут быть: глубина погружения, курс, дифферент. Их текущие значения вырабатывают соответствующие датчики. Напряжение, пропорциональное текущему значению регулируемых параметров, поступает на суммирующее устройство (СУ). Это устройство вырабатывает сигнал в виде электрического напряжения, пропорциональный разности текущего и заданного значения регулируемой величины (сигнал рассогласования).The object of regulation of the system is
В качестве датчика регулируемой величины служит линейный вращающийся трансформатор, разворотом ротора которого оператор задает требуемое значение с пульта управления, соответственно значений дифферента 79, курса 80, глубины погружения 81. Сформированный суммирующим устройством 88 сигнал рассогласования поступает в вычислительное устройство (вычислитель 89) вместе с другими параметрами, необходимыми для формирования сигнала управления исполнительными органами.A linear rotary transformer is used as a variable-sized sensor, by turning the rotor of which the operator sets the required value from the control panel, respectively, the values of the trim 79,
Вычислительное устройство (ВУ) предназначено для формирования закона управления объектом в виде суммарного электрического сигнала управления (СЭСУ). В ВУ поступают сигналы: текущей глубины погружения, текущего курса, угла поворота рулей и др. Вычислительное устройство формирует из этих сигналов величины их производных и интегралов, необходимых для формирования СЭСУ (блок суммарного электрического сигнала управления 90). Порядок формирования СЭСУ зависит от режима работы и управления, включенного в системе, и будет рассмотрен отдельно для каждой подсистемы. Сформированный СЭСУ усиливается по мощности и поступает через электрогидравлический преобразователь на исполнительный механизм.A computing device (WU) is designed to generate the control law of an object in the form of a total electrical control signal (SESU). The VU receives signals: the current depth of immersion, the current course, the angle of rotation of the rudders, etc. The computing device generates from these signals the values of their derivatives and integrals necessary for the formation of the SESU (block of the total electrical control signal 90). The order of formation of SESU depends on the mode of operation and control included in the system, and will be considered separately for each subsystem. Formed SESU is amplified by power and enters the actuator through an electro-hydraulic converter.
Исполнительный механизм (ИМ) системы предназначен для непосредственного управления исполнительными органами. Кроме того, он обеспечивает преобразование СЭСУ в гидравлический сигнал. Функционально ИМ состоит из гидравлического сервомотора (ГСМ), непосредственно воздействующего на рули АНПА. Исполнительные органы системы - горизонтальные и вертикальный рули, изменяющие положение АНПА в пространстве.The executive mechanism (IM) of the system is intended for direct control of executive bodies. In addition, it provides the conversion of SESU into a hydraulic signal. Functionally, the MI consists of a hydraulic servomotor (fuel), directly acting on the steering wheels of the AUV. The executive bodies of the system are horizontal and vertical rudders that change the position of the AUV in space.
Канал автоматического управления движением АНПА по курсу (фиг.6) предназначен для автоматического поддержания и смены заданного курса движения АНПА. Система может работать в следующих режимах: автоматической стабилизации заданного курса; автоматического перехода на новый заданный курс; дистанционного (следящего) управления вертикальным рулем; аварийного управления вертикальным рулем.Channel automatic control of the movement of the AUV on the course (Fig.6) is designed to automatically maintain and change the set course of movement of the AUV. The system can work in the following modes: automatic stabilization of a given course; automatic transition to a new set course; remote (tracking) control of the vertical steering wheel; emergency steering vertical steering.
Функциональная схема канала СУД в режиме автоматического управления по курсу включает АНПА - 9, вертикальный руль 59, датчик заданного курса 80, датчики обратной связи текущих значений положения вертикальных рулей 87, курса 83, суммирующее устройство 88, вычислитель 89, блок суммарного электрического сигнала управления 90, электрогидравлический преобразователь 91.The functional diagram of the SUD channel in the automatic course control mode includes ANPA-9,
Регулируемый параметр - курс АНПА 9. Таким образом, на суммирующее устройство 88 поступают значения фактического и заданного значения курса. Фактическое значение курса формируется в навигационном модуле комплекса, заданное - задает оператор путем разворота рукоятки и связанного с ним ротора линейного вращающегося трансформатора на пульте управления.The adjustable parameter is the rate of
В вычислитель 89 для формирования СЭСУ поступают следующие сигналы:The
φ и φ3 - фактическое и заданное значение курса АНПА;φ and φ 3 - the actual and target value of the AUV rate;
σв - угол поворота вертикального руля (ВР).σ in - the angle of rotation of the vertical steering wheel (BP).
В остальном функциональная схема канала СУД АНПА по курсу совпадает с общей функциональной схемой СУД (фиг.5). Рабочие свойства СУДК определяет, в первую очередь, внутренняя структура вычислительного устройства. В режиме автоматического управления АНПА по курсу в структуре вычислительного устройства задействованы следующие блоки (фиг.7). Схема формирования изменения курса вычислителя 89 включает суммирующее устройство 92, на которое подаются значения заданного и фактического курса, блок 93 формирования скорости изменения курса, блок 94 формирования суммарной ошибки, суммирующее устройство 95, блоки нелинейности 96 и 97, блок ограничения 98. Блок нелинейности 96 и блок ограничения 98 образуют линейный ограничитель 99.In the rest, the functional diagram of the channel of the ANPA COURT at the rate coincides with the general functional circuit of the COURT (Fig. 5). The operational properties of the SUDK are determined, first of all, by the internal structure of the computing device. In automatic control mode AUV at the rate in the structure of the computing device, the following blocks are involved (Fig.7). The course change forming circuit of
Блок 93 формирования скорости изменения курса предназначен для формирования электрического сигнала, пропорционального скорости отклонения курса АНПА от заданного. Введение этого сигнала необходимо для повышения точности управления.
Блок 94 формирования суммарной ошибки формирует сигнал, пропорциональный интегралу ошибки управления. Этот сигнал, являющийся составной частью СЭСУ, компенсирует действие постоянных возмущений на корпус АНПА течения, бокового ветра (в надводном положении) и т.п. Величину этого сигнала можно скорректировать вручную с пульта управления. Действие сигнала выражается в задании определенного постоянного балансировочного угла поворота ВР "на снос".The total
Блок нелинейности 96 представляет собой амплитудный ограничитель СЭСУ. Он установлен на выходе ВУ и "пропускает через себя" сигнал управления в гидравлическую часть системы только в том случае, если он превышает некоторую, заранее заданную величину. Таким образом, чувствительность системы управления искусственно занижается, но при этом снижается количество перекладок вертикального руля, следовательно, повышается долговечность гидравлической части системы, наиболее подверженной к износу. С другой стороны, практически установлено, что эксплуатационная устойчивость АНПА на курсе считается обеспеченной, если при волнении моря 3…5 баллов ВР перекладывается в среднем 4…6 раз в минуту.Block of
Блок ограничения 98, в отличие от блока 96, наоборот, "пропускает через себя" сигнал управления, если он не превышает максимальную, также заранее заданную величину отклонения руля. Резкая перекладка руля "на борт" нежелательна для АНПА и механизмов и может стать опасной на высоких скоростях хода. Таким образом, вводимое ограничение на максимальную величину перекладки обеспечивает автоматическое регулирование движения АНПА по курсу по апериодическому закону с достаточно большой постоянной времени и исключает резкую перекладку руля на борт. Кроме того, благодаря этому предотвращаются установка руля в критическое положение (т.е. такое, когда сила сопротивления движению значительно превышает подъемную силу руля в горизонтальной плоскости), а также кавитация на руле при высоких скоростях хода.The
Блок нелинейности 97 формирует аварийный сигнал в режиме автоматического управления в случае "ухода" АНПА с курса на определенную величину. Такая ситуация возможна в случае действия возмущений большой величины, например, при попадании АНПА в сильное боковое течение, потере руля и т.п.The
Суммарный электрический сигнал управления вертикальным рулем представляет собой следующую функциональную зависимость:The total electric signal of vertical steering control represents the following functional dependence:
где Δφ - сигнал, пропорциональный отклонению фактического курса от заданного;where Δφ is the signal proportional to the deviation of the actual rate from the given;
dΔφ/dt - сигнал, пропорциональный скорости изменения курса АНПА;dΔφ / dt is a signal proportional to the rate of change of the AUV rate;
∫Δφdt - сигнал, пропорциональный интегралу (суммарной ошибке во времени) отклонения и определяющий балансировочный угол вертикального руля;∫Δφdt is a signal proportional to the integral (total time error) of the deviation and determining the balancing angle of the vertical rudder;
σвр - сигнал, пропорциональный углу перекладки вертикального руля;σ BP - a signal proportional to the angle of the vertical rudder;
К1,2 - коэффициенты составляющих алгоритма управления.To 1,2 - the coefficients of the components of the control algorithm.
Сформированный по этому закону СЭСУ - если он не меньше, чем задан в БН1, и не больше, чем в блоке ограничения, - поступает в гидравлическую часть системы управления.The SESU formed according to this law — if it is not less than that specified in BN1 and no more than in the restriction unit — enters the hydraulic part of the control system.
Принцип функционирования системы в режиме автоматического перехода на новый заданный курс. При движении ПА на циркуляции различают три характерных периода:The principle of the system in automatic transition to a new set course. When the PA moves in circulation, three characteristic periods are distinguished:
1. Маневренный период - от начала до конца перекладки руля. Продолжительность этого периода может достигать 30 с и в основном определяется инерционными свойствами гидравлической части САУД. В маневренном периоде вследствие увеличения угла перекладки постепенно увеличивается сила, действующая на руль.1. Maneuverable period - from the beginning to the end of the rudder shift. The duration of this period can reach 30 s and is mainly determined by the inertial properties of the hydraulic part of the SAUD. In the maneuvering period, due to an increase in the angle of shift, the force acting on the steering wheel gradually increases.
2. Эволюционный период - от момента окончания перекладки руля до начала установившегося движения по окружности. По продолжительности этот период может иметь различные значения для разных ПА. Заканчивается он тогда, когда ПА меняет направление движения на 90…120° по отношению к первоначальному курсу.2. The evolutionary period - from the moment the rudder shifts to the beginning of the steady circle movement. In duration, this period can have different values for different PAs. It ends when the PA changes direction by 90 ... 120 ° relative to the original course.
3. Установившийся период - соответствует движению корабля по окружности с практически постоянной скоростью.3. The steady-state period - corresponds to the movement of the ship in a circle at a practically constant speed.
Такую классификацию можно назвать скорее теоретической, чем практической. В первую очередь - из-за чрезвычайно редкого возникновения установившегося периода поворота. С практической точки зрения, а также для удобства рассмотрения принципа работы СУДК в дальнейшем будем придерживаться следующей классификации фаз поворота.Such a classification can be called theoretical rather than practical. First of all, due to the extremely rare occurrence of the steady-state turning period. From a practical point of view, as well as for the convenience of considering the principle of operation of SUDK in the future, we will adhere to the following classification of rotation phases.
Условно можно считать, что поворот по курсу осуществляется в три фазы. В первой фазе поворачивается вертикальный руль, и АНПА под его действием начинает отклоняться от первоначального курса. Во второй фазе угол поворота руля поворота руля постоянен, АНПА описывает круг с радиусом, приближающимся к постоянному (циркуляция). При подходе к новому заданному курсу начинается третья фаза - одержание АНПА; в этой фазе руль отводится в нулевое или даже в противоположное предыдущему положение для исключения "рыскания" АНПА и окончания циркуляции без перерегулирования.Conventionally, it can be considered that the course is rotated in three phases. In the first phase, the vertical rudder rotates, and under its action, the AUV begins to deviate from the original course. In the second phase, the rudder angle is constant, the AUV describes a circle with a radius approaching a constant (circulation). When approaching a new set course, the third phase begins - the possession of AUV; in this phase, the steering wheel is moved to the zero or even opposite to the previous position to exclude the “yaw” of the AUV and end the circulation without overshooting.
Для автоматического перехода АНПА на новый заданный курс-оператор пульта управления с помощью задатчика устанавливает требуемую величину курса. На выходе сумматора формируется сигнал рассогласования, поступающий на второй сумматор.To automatically switch the AUV to a new predetermined course, the operator of the control panel sets the required course value using the control unit. At the output of the adder, a mismatch signal is generated, which arrives at the second adder.
Особенность работы второго сумматора заключается в том, что приходящие на его вход сигналы dΔφ/dt и σвр предварительно инвертируются (их фаза изменяется на противоположную), т.е. они являются демпфирующими. Таким образом, вклад сигнала в СЭСУ определяет отклонение руля в сторону компенсации рассогласования курсов φз и φ, а вклад всех остальных сигналов (за исключением интегрального, который в рассматриваемом режиме не задействован) препятствует этому отклонению (ограничивает его).The feature of the second adder is that incoming on its input signals dΔφ / dt and σ rot previously inverted (their phase is reversed), i.e. they are damping. Thus, the contribution of the signal to the SESC determines the steering deviation in the direction of compensating for the mismatch of the courses φ s and φ, and the contribution of all other signals (with the exception of the integral one, which is not involved in this mode) prevents this deviation (limits it).
Так начинается первая фаза поворота - выход корабля на циркуляцию. В начальный момент времени все остальные сигналы, кроме пропорционального, отсутствуют, и СЭСУ определяется выражением:So begins the first phase of the turn - the ship's exit to the circulation. At the initial moment of time, all other signals, except for proportional, are absent, and SESU is determined by the expression:
Под действием этого сигнала вертикальный руль начинает поворачиваться в сторону, компенсирующую возникшее рассогласование курсов. Корпус АНПА отклоняется от первоначального курса. Under the influence of this signal, the vertical rudder begins to turn in the direction that compensates for the inconsistency of courses. The AUV corps deviates from the original course.
Вместе с этим начинают увеличиваться величины сигналов dΔφ/dt и σвр.Along with this, the values of the signals dΔφ / dt and σ BP begin to increase.
В момент, когда их суммарное значение достигнет Δφ, поворот вертикального руля прекратится, АНПА будет находится на циркуляции, радиус которой стремится к своему постоянному значению.At the moment when their total value reaches Δφ, the rotation of the vertical rudder will cease, the AUV will be in circulation, the radius of which tends to its constant value.
С подходом к новому курсу величина рассогласования постепенно уменьшается, при этом начинается третья, заключительная фаза поворота - одержание АНПА. Основная задача в этой фазе состоит в том, чтобы обеспечить апериодический, без перерегулирования подход к новому заданному курсу и фиксировать АНПА на нем.With the approach to the new course, the size of the mismatch gradually decreases, while the third, final phase of the turn begins - the possession of the AUV. The main task in this phase is to provide an aperiodic, without overshooting, approach to a new set course and to fix AUV on it.
Каждый АНПА, даже при совершенно точно закрепленном в среднем положении руле, непрерывно уклоняется от прямолинейного курса. АНПА как объект управления не обладает свойством саморегулирования. Подобная неустойчивость на курсе называется рыскливостью. В первом приближении, АНПА на курсе совершает синусоидальные колебания в горизонтальной плоскости.Each AUV, even when the steering wheel is perfectly fixed in the middle position, continuously deviates from a straight course. AUV as an object of management does not have the property of self-regulation. Such instability on the course is called yaw. In a first approximation, the AUV on the course makes sinusoidal oscillations in the horizontal plane.
Рыскливость определяют внешние возмущения, действующие на АНПА, - порывы ветра, волнение моря, течения; рыскливости способствуют также неизбежная несимметрия корпуса, выступающих частей, неравномерность распределения нагрузки и т.п.The prowess is determined by the external disturbances acting on the AUV — wind gusts, sea waves, currents; the inevitable asymmetry of the housing, protruding parts, uneven load distribution, etc.
Смысл работы системы управления движением АНПА состоит в том, что возникающее небольшое рассогласование заданного и фактического курса компенсируется поворотом вертикального руля.The meaning of the operation of the AUV motion control system is that the slight mismatch between the set and the actual course is compensated by the rotation of the vertical rudder.
В случае самопроизвольного ухода АНПА с заданного курса на определенную в сигнализирующем блоке нелинейности величину (обычно 5…8°), срабатывают сигнализация "Уход с курса".In the case of spontaneous departure of the AUV from a given course to a value defined in the signaling unit of nonlinearity (usually 5 ... 8 °), the "Departure" alarm is triggered.
Реакция АНПА на постоянно действующие возмущения - течение, ветер, буксируемые гидроакустические измерители, неудифферентованность и т.д. - выражается в наличии несимметричных колебаний относительно заданного курса. Для компенсации таких постоянных возмущений при дистанционном управлении обычно проворачивают вертикальные рули на постоянный, так называемый балансировочный угол в сторону действия возмущений. Например, если в качестве постоянно действующего возмущения выступает боковой ветер и правый борт АНПА, в составе СЭСУ возникает интегральный, постоянно действующий сигнал. Он обеспечивает поворот вертикального руля на постоянный балансировочный угол на правый борт. С уменьшением рассогласования уменьшается и интегральная составляющая СЭСУ. Руль автоматически отворачивается в противоположную сторону. Для формирования этого сигнала предназначен блок 94 формирования суммарной ошибки.AUV reaction to constantly acting disturbances - current, wind, towed hydroacoustic meters, non-differentiation, etc. - expressed in the presence of asymmetric fluctuations relative to a given course. To compensate for such constant disturbances during remote control, the vertical rudders are usually turned to a constant, so-called balancing angle, in the direction of the disturbances. For example, if the lateral wind and the starboard side of the AUVA act as a constant disturbance, an integral, constantly acting signal appears in the SESU. It provides the rotation of the vertical steering wheel to a constant balancing angle on the starboard side. With a decrease in mismatch, the integral component of SESU also decreases. The steering wheel automatically turns in the opposite direction. To generate this signal, the
Канал управления движением по глубине предназначен для автоматического поддержания и/или смены значений заданной глубины погружения и угла дифферента. Основные режимы работы системы:The depth motion control channel is designed to automatically maintain and / or change the values of a given immersion depth and trim angle. The main modes of the system:
- режим автоматической стабилизации заданной глубины;- automatic stabilization mode of a given depth;
- режим автоматического перехода на новую заданную глубину;- automatic transition to a new predetermined depth;
- режим автоматического поддержания заданного дифферента во время движения АНПА.- automatic maintenance of a given trim during the movement of the AUV.
Каждый из перечисленных режимов формируется автоматически, в зависимости от величин рассогласований регулируемых параметров.Each of the listed modes is generated automatically, depending on the values of the mismatches of the adjustable parameters.
Функциональная схема канала автоматического управления АНПА по глубине (фиг.8) включает АНПА-9, схему ввода заданных значений дифферента и глубины погружения 100, суммирующее устройство 101, на которое поступают заданные и текущие значения дифферента и глубины погружения, микропроцессор 102, блок формирования суммарного сигнала управления 103, электрогидравлический преобразователь 104, горизонтальные рули 76 и 77.The functional diagram of the automatic control unit channel AUV in depth (Fig. 8) includes AUV-9, a circuit for entering the target values of the trim and
Регулируемый параметр - глубина погружения, а при управлении дифферентом - величина заданного дифферента. Фактическое значение глубины погружения и дифферента формируется специальными датчиками, в качестве преобразовательных элементов, которых служат линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ). Таким образом, в схему поступают электрические сигналы в виде напряжения, пропорционального фактическим значениям глубины и дифферента. Заданное значение этих параметров, как и для случая управления курсом, задает оператор пульта управления путем разворота рукоятки и связанного с ним ротора ЛВТ.The adjustable parameter is the depth of immersion, and when controlling the trim - the value of the specified trim. The actual value of the immersion depth and trim is formed by special sensors, as converting elements, which are linear rotary transformers (LVTs). Thus, the electric signals are supplied to the circuit in the form of a voltage proportional to the actual values of the depth and trim. The set value of these parameters, as in the case of heading control, is set by the operator of the control panel by turning the handle and the associated rotor of the LVT.
В вычислительное устройство (микропроцессор 102) для формирования суммарного электрического сигнала управления (СЭСУ) поступают следующие сигналы: заданная и фактическая глубина погружения, соответственно; заданная и фактическая величины дифферента АНПА; угол поворота горизонтального руля; фактическая скорость АНПА.The following signals are received in the computing device (microprocessor 102) for generating the total electrical control signal (SESU): set and actual depth of immersion, respectively; preset and actual trim values of AUV; horizontal steering angle; actual AUV speed.
Все эти сигналы формируются соответствующими датчиками в виде напряжений, пропорциональных соответствующим величинам.All these signals are generated by the corresponding sensors in the form of voltages proportional to the corresponding values.
В зависимости от конструктивных особенностей (архитектуры) АНПА органами управления могут служить горизонтальные рули: носовые, средние, рубочные, большие и малые кормовые. Вне зависимости от имеющихся и выбранных для управления горизонтальных рулей принципы управления не меняются. В конкретной промышленной реализации АНПА управление осуществляется парой кормовых рулей.Depending on the design features (architecture) of the AUV, horizontal rudders can serve as control bodies: bow, middle, chopping, large and small fodder. Regardless of the available and selected horizontal rudders for control, the control principles do not change. In a specific industrial implementation, AUVs are controlled by a pair of stern rudders.
В режиме автоматического управления ПА по глубине в вычислительном устройстве задействованы следующие блоки (фиг.9): суммирующее устройство 105, блоки нелинейности 106 и 107, выходной сумматор 108, включающий блоки нелинейности 109 и 110, блок формирования скорости изменения дифферента 111, блок формирования скорости изменения глубины 112, суммирующее устройство 113.In the automatic depth control mode of a user agent, the following blocks are used in the computing device (Fig. 9):
Блок формирования скорости изменения глубины 112 предназначен для формирования электрического сигнала в виде напряжения, пропорционального скорости изменения глубины во времени. Введение этого сигнала необходимо для повышения точности регулирования глубины путем уменьшения регулирующего воздействия при подходе значения фактической глубины к заданному (в режиме автоматического перехода на новую глубину).The unit for forming the rate of change of
Блоки нелинейности 109 и 110 образуют линейный ограничитель, функционально состоящий из двух схем: схемы ограничения максимального дифферента (бл.109) и схемы ограничения максимальной скорости изменения дифферента (бл.110). Введение этих ограничений необходимо: во-первых, для исключения возможности падения АНПА на грунт или погружения на запредельную глубину; во-вторых, для обеспечения безопасной работы механизмов главной энергетической установки. Оба блока представляют собой электронные усилители, формирующие выходной сигнал только после того, как величина на входе достигнет определенного уровня.The non-linearity blocks 109 and 110 form a linear limiter, functionally consisting of two circuits: the maximum trim limit circuit (bl.109) and the maximum trim rate limit circuit (bloc 110). The introduction of these restrictions is necessary: firstly, to exclude the possibility of the AUV falling onto the ground or diving to an extraordinary depth; secondly, to ensure the safe operation of the mechanisms of the main power plant. Both units are electronic amplifiers that produce an output signal only after the value at the input reaches a certain level.
Блок формирования скорости изменения дифферента 111 предназначен для формирования сигнала, пропорционального скорости изменения дифферента, и подачи его в блок 110 линейного ограничителя.The unit for forming the rate of change of the trim 111 is designed to generate a signal proportional to the rate of change of the trim and supply it to the
Блок нелинейности 106 формирует сигнализацию в случае самопроизвольного отклонения АНПА от заданной глубины на определенную величину.The
Блок нелинейности 107 представляет собой усилитель, работающий в релейном режиме. Он предназначен для релейного изменения своего коэффициента передачи, в зависимости от величины скорости АНПА.The
Принцип формирования суммарного электрического сигнала управления. Суммарный электрический сигнал управления горизонтальными рулями представляет собой следующую функциональную зависимость:The principle of formation of the total electrical control signal. The total electrical control signal of the horizontal rudders is the following functional dependence:
где Δη(V) - сигнал, пропорциональный отклонению фактической глубины погружения от заданной, и зависящий от V (скорости ПА);where Δη (V) is a signal proportional to the deviation of the actual depth of immersion from the set, and depending on V (speed PA);
dΔη/dt - сигнал, пропорциональный скорости изменения глубины;dΔη / dt is a signal proportional to the rate of change of depth;
Δψ - сигнал, пропорциональный дифференту;Δψ is the signal proportional to the trim;
Δψ/dt - сигнал, пропорциональный скорости изменения дифферента;Δψ / dt is a signal proportional to the rate of change of the trim;
σгр - сигнал, пропорциональный углу перекладки горизонтальных рулей;σ gr - a signal proportional to the angle of the horizontal rudders;
Кос - коэффициент обратной связи.To OS - feedback coefficient.
Формирование СЭСУ управления горизонтальными рулями осуществляется по принципу "соревнования сигналов". Это означает следующее. Суммарный электрический сигнал формируется на суммирующем устройстве 113, на который поступают все составляющие сигнала согласно выражению (15). Составляющая СЭСУ обеспечивает поворот горизонтальных рулей в сторону компенсации рассогласования - например, если фактическая глубина погружения меньше заданной, то рули поворачиваются "на погружение". Все остальные составляющие СЭСУ - демпфирующие; вклад этих сигналов в суммарный обеспечивает поворот рулей в противоположную сторону. Сформированный таким образом СЭСУ поступает в гидравлическую часть системы управления.Formation SESU control horizontal rudders is carried out on the principle of "competition signals". This means the following. The total electrical signal is generated on the
В режиме автоматического перехода на новую заданную глубину, на первом этапе посредством перекладки горизонтальных рулей создается определенный дифферент АНПА. В конце этого периода рули отводят кратковременно в противоположную сторону для гашения нарастающей угловой скорости, а затем переводят практически в нулевое положение. Таким образом, АНПА начинает второй этап изменения глубины - установившийся. На этом этапе все параметры движения неизменны, изменение глубины происходит за счет подъемной силы на корпусе АНПА. С подходом к заданной глубине погружения начинается третий этап - одержание. Для этого рули, как правило, перекладывают в сторону, обеспечивающую уменьшение дифферента, затем в противоположную - для гашения возникающей угловой скорости. Наконец, их переводят в положение, обеспечивающее движение АНПА на новой глубине.In the automatic transition to a new predetermined depth, at the first stage, by shifting the horizontal rudders, a certain AUV trim is created. At the end of this period, the rudders are withdrawn briefly in the opposite direction to dampen the increasing angular velocity, and then they are transferred practically to the zero position. Thus, AUV begins the second stage of depth change - steady. At this stage, all motion parameters are unchanged, the depth changes due to the lifting force on the AUV body. With the approach to a given depth of immersion, the third stage begins - obsession. To do this, the rudders, as a rule, are shifted to the side, providing a decrease in the trim, then in the opposite direction to damp the resulting angular velocity. Finally, they are transferred to a position that ensures the movement of the AUV to a new depth.
Маневр изменения глубины погружения в общем случае включает в себя три этапа: этап создания дифферента; этап установившегося изменения глубины с постоянным дифферентом; этап одержания.The maneuver of changing the depth of immersion in the general case includes three stages: the step of creating a trim; stage of steady-state depth changes with a constant trim; stage of obsession.
Для примера, рассмотрим маневр автоматического погружения АНПА на новую заданную глубину, считая, что при всплытии все происходящие процессы идентичны процессам при погружении, но противоположны им по фазе.As an example, let us consider the maneuver of automatic immersion of the AUV to a new predetermined depth, assuming that during ascent all the processes that occur are identical to the processes during immersion, but are opposite in phase.
Для автоматического погружения АНПА на новую заданную глубину оператор пульта управления с помощью задатчика устанавливает требуемое значение глубины. На выходе суммирующего устройства 105 формируется сигнал рассогласования, который через блок нелинейности 107 поступает на суммирующее устройство 113. В начальный момент времени все остальные составляющие СЭСУ отсутствуют.To automatically immerse the AUV to a new predetermined depth, the operator of the control panel, using the dial, sets the required depth value. At the output of the summing
Рули начинают поворачиваться "на погружение", т.е. в сторону уменьшения рассогласования заданной и фактической глубины. Начинается первая фаза погружения - создание требуемого дифферента. Первая фаза погружения, как было сказано ранее, сопровождается увеличением угловой скорости. При определенном ее значении на суммирующее устройство 113 блок нелинейности 107 начинает поступать сигнал, который обеспечивает отведение горизонтальных рулей и гашение угловой скорости. Дифферент стабилизируется, и АНПА начинает погружение под действием подъемной силы на корпусе.The rudders begin to turn "for immersion", i.e. in the direction of reducing the mismatch of a given and actual depth. The first phase of immersion begins - the creation of the required trim. The first phase of immersion, as mentioned earlier, is accompanied by an increase in angular velocity. At a certain value thereof, a signal is supplied to the
С подходом к требуемой глубине погружения сигнал Δη постепенно уменьшается, а сигнал dΔη/dt в этой ситуации имеет наибольшую величину и обеспечивает одержание АНПА в третьей фазе погружения. Дифферент, угол перекладки рулей, скорость изменения глубины и дифферента уменьшаются, и к моменту выхода АНПА на заданную глубину дифферент устанавливается равным балансировочному значению. Управляющие сигналы при этом равны нулю.With the approach to the required depth of immersion, the signal Δη gradually decreases, and the signal dΔη / dt in this situation has the largest value and ensures the AUV content in the third phase of immersion. The trim, rudder angle, the rate of change of depth and trim are reduced, and by the time the AUV reaches the specified depth, the trim is set equal to the balancing value. The control signals are equal to zero.
В рассматриваемом режиме действие блока нелинейности 109 осуществляется при превышении дифферентом установленной в блоке величины. Этот блок, таким образом, является ограничительным. Дополнительно следует отметить, что блок нелинейности 110 имеет коэффициент передачи, зависящий от скорости АНПА. Поскольку основная сила, под действием которой АНПА погружается и всплывает, - это сила на корпусе, то с увеличением скорости ее эффективность также увеличивается, причем достаточно интенсивно. В связи с этим при увеличении скорости коэффициент передачи блока нелинейности 109 искусственно уменьшают - для обеспечения безопасности плавания (в первую очередь, путем предотвращения больших вертикальных скоростей).In this mode, the action of the block of
При движении на заданной глубине могут возникать периодические возмущающие воздействия, отклоняющие АНПА в ту или иную сторону. Суммарный электрический сигнал управления в этом случае, как правило, невелик и определяется, в основном, составляющей Δη, что вызывает соответствующую перекладку горизонтальных рулей и возврат АНПА к заданной глубине.When moving at a given depth, periodic disturbances can occur that deflect AUV in one direction or another. The total electric control signal in this case, as a rule, is small and is determined mainly by the component Δη, which causes the corresponding shift of the horizontal rudders and the return of the AUV to the given depth.
Постоянно действующие возмущения (например, неудифферентованность, подводное течение) приводят к возникновению статической ошибки. Для ее устранения с помощью линейного вращающегося трансформатора, связанного с датчиком дифферента, вводят корректирующий сигнал, равносильный заданию балансировочного дифферента. Этот сигнал компенсирует действие возмущения. Аналогично осуществляется поддержание заданного дифферента во время движения АНПА. СЭСУ в этом случае формируется в виде зависимости:Constantly acting disturbances (for example, non-differentiation, underwater flow) lead to the appearance of a static error. To eliminate it using a linear rotary transformer connected to the trim sensor, a correction signal is introduced, equivalent to the task of the balancing trim. This signal compensates for the effect of the disturbance. Similarly, maintaining a given trim during the movement of the AUV. SESU in this case is formed in the form of a dependence:
где kос - коэффициент обратной связи.where k OS - feedback coefficient.
При самопроизвольном отклонении АНПА от заданной глубины (обычно 5…7 м) срабатывает блок нелинейности 106, формирующий сигнал "Уход с глубины".When the AUV spontaneously deviates from a predetermined depth (usually 5 ... 7 m), a
В предлагаемом техническом решении в основу СУД АНПА положена единая концепция, предусматривающая интегральный подход в использовании технических, программных и организационных решений, обеспечивающих эффективность функционирования системой управления техническими средствами. Эта концепция учитывает требования отечественных нормативных документов и включает следующие принципы и положения:In the proposed technical solution, the ANPA court is based on a single concept, which provides an integrated approach to the use of technical, software and organizational solutions that ensure the effective functioning of the technical means management system. This concept takes into account the requirements of domestic regulatory documents and includes the following principles and provisions:
1) СУД представляет собой составную часть единой комплексной системы управления всеми видами технических средств;1) COURT is an integral part of a single integrated management system for all types of technical means;
2) СУД объединена единством технических решений по всем системам управления техническими средствами;2) the COURT is united by a unity of technical solutions for all systems of control of technical means;
3) СУД соответствует высокой степени автоматизации управления техническими средствами;3) COURT corresponds to a high degree of automation of technical means management;
4) СУД удовлетворяет функционально-иерархическим принципам организации структуры, позволяющим обеспечивать высокий уровень надежности и живучести системы за счет рационального распределения функций между системами, независимости функционирования аппаратуры нижнего уровня от аппаратуры верхнего уровня, а также за счет сокращения потоков и объемов информации, передаваемой на высшие уровни вследствие обработки ее на нижнем уровне.4) The COURT satisfies the functional and hierarchical principles of the organization of the structure, allowing to ensure a high level of reliability and survivability of the system due to the rational distribution of functions between systems, the independence of the functioning of lower-level equipment from upper-level equipment, as well as by reducing the flow and volume of information transmitted to higher levels due to processing it at the lower level.
В соответствии с перечисленными принципами СУД создается как многоуровневая иерархическая функционально-децентрализованная распределенная система. Структурно (по вертикали) она представляет собой систему, в которой на каждом уровне выполняются соответствующие функции. Обмен информацией между уровнями производится в обоих направлениях, при этом отказы (сбои) в выполнении функции аппаратуры более высокого уровня не должны влиять на способность аппаратуры выполнять собственные функции.In accordance with the above principles, the COURT is created as a multi-level hierarchical functional-decentralized distributed system. Structurally (vertically), it is a system in which corresponding functions are performed at each level. Information is exchanged between the levels in both directions, while failures (malfunctions) in performing the functions of higher-level equipment should not affect the ability of the equipment to perform its own functions.
Нижний уровень иерархии - это локальные задачи управления отдельными агрегатами, механизмами и системами, локальная обработка информации и связь с объектом управления. Этот уровень включает в себя локальные системы управления, микропроцессорные средства, выполняющие функции локальных контроллеров управления и обработки информации, выходные устройства (исполнительные автоматы).The lower level of the hierarchy is the local tasks of controlling individual units, mechanisms and systems, local processing of information and communication with the control object. This level includes local control systems, microprocessor tools that perform the functions of local control and information processing controllers, and output devices (executive machines).
Средний уровень иерархии - это уровень задач централизованного управления отдельными функциональными техническими средствами, программно-логических задач, централизованной обработки информации. Этот уровень включает в себя аппаратуру, выполненную как на микропроцессорных средствах, так и на средствах аналоговой техники и средствах "жесткой" логики. Эта аппаратура выполняет основной объем решения задач защиты, логического управления и регулирования параметров технических средств.The average level of the hierarchy is the level of tasks of centralized management of individual functional technical means, program-logic tasks, centralized information processing. This level includes equipment made both on microprocessor means, and on means of analog equipment and means of "hard" logic. This equipment performs the bulk of the solution of the tasks of protection, logical control and regulation of technical means parameters.
Верхний (высший) уровень - уровень оператора. Этот уровень управления совокупностью технических средств характеризуется тем, что контур управления технологическим процессом замыкается через оператора. К этому уровню относится пульт управления с функциональными клавиатурами, дисплеями и другими средствами представления информации, а также операторские станции (контроллеры связи). Рабочее место оператора сформировано в виде пульта управления консольного типа. Компоновка рабочего места в виде пульта позволяет разделить сенсорные и моторные зоны работы оператора, что создает более благоприятные условия для его работы.Top (highest) level - operator level. This level of control by a combination of technical means is characterized by the fact that the process control loop is closed through the operator. This level includes the control panel with functional keyboards, displays and other means of presenting information, as well as operator stations (communication controllers). The operator’s workplace is formed in the form of a console type control panel. The layout of the workplace in the form of a remote control allows you to separate the sensory and motor zones of the operator, which creates more favorable conditions for his work.
Разработка пульта выполнена с учетом эргономических требований и роли фактора взаимодействия "человек-машина". Для уменьшения количества ошибок оператора на пульте организованы различные зоны управления: зоны, в которых органы управления размещены по функциональному признаку; зоны безопасности; зоны управления вспомогательными системами и устройствами; зоны аварийной сигнализации и т.п. Индивидуальное управление реализуется адресным способом. Адресация осуществляется набором кода на клавиатуре. Для наиболее ответственных механизмов и устройств предусмотрены особые каналы резервного управления, не зависимые от индивидуальных органов управления, расположенные на пульте управления. При выборе способов представления информации возникает необходимость решения задачи минимизации потоков информации, поступающей к оператору, без снижения ее полноты. С этой целью, а также для концентрации внимания оператора на наиболее важных информационных сообщениях, представление информации оператору производится в обобщенном виде. Кроме того, предусмотрена функциональная группировка информационных сообщений, их группировка по значимости для безопасности (аварийные, предупредительные, диагностические, информационные); использование индикаторов различных цветов, прерывистого свечения и звуковых сигналов.The remote control was developed taking into account ergonomic requirements and the role of the human-machine interaction factor. To reduce the number of operator errors on the remote control, various control zones are organized: zones in which the controls are located on a functional basis; security zones; control zones for auxiliary systems and devices; alarm zones, etc. Individual management is implemented in an addressable way. Addressing is done by typing the code on the keyboard. For the most critical mechanisms and devices, special backup control channels are provided that are independent of individual controls located on the control panel. When choosing the methods of presenting information, it becomes necessary to solve the problem of minimizing the flows of information received by the operator, without reducing its completeness. For this purpose, as well as to focus the operator’s attention on the most important information messages, the information is presented to the operator in a generalized form. In addition, a functional grouping of information messages is provided, their grouping by importance for safety (emergency, warning, diagnostic, informational); the use of indicators of various colors, intermittent glow and sound signals.
Источники информации.Information sources.
1. Патент RU №2224279 C1, 20.02.2004.1. Patent RU No. 2224279 C1, 02.20.2004.
2. Патент RU №2207585 C2, 27.06.2003.2. Patent RU No. 2207585 C2, 06.27.2003.
3. Патент RU №2260191 C1, 10.09.2005.3. Patent RU No. 2260191 C1, 09/10/2005.
4. Патент US №5523951 A, 04.06.1996.4. US patent No. 5523951 A, 06/04/1996.
5. Патент US №5179385 A, 12.01.1993.5. US patent No. 5179385 A, 12.01.1993.
6. Патент US №4513378 A, 23.04.1985.6. US patent No. 4513378 A, 04/23/1985.
7. Патент RU №2410282.7. Patent RU No. 2410282.
8. Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики / Ю.В.Ваулин, А.В.Инзарцев, А.В.Каморный и др. // Подводные исследования и робототехника. Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток, №1(5), 2008, с.24-31.8. The navigation complex of an autonomous underwater robot and the features of its application in the Arctic / Yu.V. Vaulin, A.V. Inzartsev, A.V.Kamorny, etc. // Underwater research and robotics. Institute of Marine Technology Problems FEB RAS, Vladivostok, No. 1 (5), 2008, pp. 24-31.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011131950/28A RU2483327C2 (en) | 2011-08-01 | 2011-08-01 | Integrated system for navigation and controlling movement for self-contained unmanned underwater vehicles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011131950/28A RU2483327C2 (en) | 2011-08-01 | 2011-08-01 | Integrated system for navigation and controlling movement for self-contained unmanned underwater vehicles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011131950A RU2011131950A (en) | 2013-02-10 |
| RU2483327C2 true RU2483327C2 (en) | 2013-05-27 |
Family
ID=48792149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011131950/28A RU2483327C2 (en) | 2011-08-01 | 2011-08-01 | Integrated system for navigation and controlling movement for self-contained unmanned underwater vehicles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2483327C2 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2546846C2 (en) * | 2013-06-20 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") | Method of determining position of vessel and motion characteristics thereof |
| RU2555479C2 (en) * | 2013-11-26 | 2015-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | High-precision coordination of underwater complex for underwater navigation |
| RU2616446C1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-04-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" | Method for maintenance of the autonomous undefined underwater apparatus |
| RU2680395C1 (en) * | 2018-05-16 | 2019-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" | Method of increasing accuracy of navigation of autonomous uninhabited underwater vehicle with inertial navigation system and technical vision system |
| RU2721638C1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-05-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Equalizing-and-trimming system for autonomous unmanned underwater vehicle with automatic and remote control |
| RU2756668C1 (en) * | 2021-03-31 | 2021-10-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for navigation and information support of an autonomous unmanned underwater vehicle that monitors an underwater production complex |
| RU2757006C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-10-08 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for using unhabited underwater unit under ice |
| RU214384U1 (en) * | 2022-07-26 | 2022-10-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | On-board unit of an underwater object for determining coordinates and receiving control commands in a long-range hydroacoustic navigation system |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111966013B (en) * | 2020-08-11 | 2022-05-20 | 天津大学 | Control system and method for fluid-driven double-navigation-state marine unmanned aircraft |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2117253C1 (en) * | 1997-04-28 | 1998-08-10 | Олег Николаевич Анучин | Integrated complex for navigation and control over deep- sea vessels |
| US7139647B2 (en) * | 2000-03-03 | 2006-11-21 | Mikael Bliksted Larsen | Methods and systems for navigating under water |
| RU89249U1 (en) * | 2009-06-30 | 2009-11-27 | Вячеслав Николаевич Дианов | INTEGRATED NAVIGATION HYDROACOUSTIC CONTROL SYSTEM FOR UNDERWATER VEHICLES WITH DETECTION OF SOURCES OF FAILURES |
| EP1891457B1 (en) * | 2005-06-13 | 2011-03-23 | WFS Technologies Limited | Underwater navigation |
| RU2460043C1 (en) * | 2011-05-20 | 2012-08-27 | Андрей Федорович Зеньков | Navigation system for autonomous unmanned underwater vehicle |
-
2011
- 2011-08-01 RU RU2011131950/28A patent/RU2483327C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2117253C1 (en) * | 1997-04-28 | 1998-08-10 | Олег Николаевич Анучин | Integrated complex for navigation and control over deep- sea vessels |
| US7139647B2 (en) * | 2000-03-03 | 2006-11-21 | Mikael Bliksted Larsen | Methods and systems for navigating under water |
| EP1891457B1 (en) * | 2005-06-13 | 2011-03-23 | WFS Technologies Limited | Underwater navigation |
| RU89249U1 (en) * | 2009-06-30 | 2009-11-27 | Вячеслав Николаевич Дианов | INTEGRATED NAVIGATION HYDROACOUSTIC CONTROL SYSTEM FOR UNDERWATER VEHICLES WITH DETECTION OF SOURCES OF FAILURES |
| RU2460043C1 (en) * | 2011-05-20 | 2012-08-27 | Андрей Федорович Зеньков | Navigation system for autonomous unmanned underwater vehicle |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2546846C2 (en) * | 2013-06-20 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") | Method of determining position of vessel and motion characteristics thereof |
| RU2555479C2 (en) * | 2013-11-26 | 2015-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | High-precision coordination of underwater complex for underwater navigation |
| RU2616446C1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-04-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" | Method for maintenance of the autonomous undefined underwater apparatus |
| RU2680395C1 (en) * | 2018-05-16 | 2019-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" | Method of increasing accuracy of navigation of autonomous uninhabited underwater vehicle with inertial navigation system and technical vision system |
| RU2721638C1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-05-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Equalizing-and-trimming system for autonomous unmanned underwater vehicle with automatic and remote control |
| RU2757006C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-10-08 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for using unhabited underwater unit under ice |
| RU2756668C1 (en) * | 2021-03-31 | 2021-10-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for navigation and information support of an autonomous unmanned underwater vehicle that monitors an underwater production complex |
| RU214384U1 (en) * | 2022-07-26 | 2022-10-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | On-board unit of an underwater object for determining coordinates and receiving control commands in a long-range hydroacoustic navigation system |
| RU2794555C1 (en) * | 2022-11-26 | 2023-04-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Подводные дроны", ООО "Подводные дроны" | Method for positioning a self-propelled unmanned underwater vehicle that monitors the underwater area |
| RU2812089C1 (en) * | 2023-10-19 | 2024-01-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ) | Hydroacoustic positioning and communication complex for navigation and information support of unmanned underwater vehicles |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011131950A (en) | 2013-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2483327C2 (en) | Integrated system for navigation and controlling movement for self-contained unmanned underwater vehicles | |
| RU2460043C1 (en) | Navigation system for autonomous unmanned underwater vehicle | |
| US10431099B2 (en) | Collision avoidance systems and methods | |
| EP3388327B1 (en) | Route setting method for underwater vehicle, underwater vehicle optimum control method using same, and underwater vehicle | |
| Peng et al. | Development of the USV ‘JingHai-I’and sea trials in the Southern Yellow Sea | |
| US9430947B2 (en) | Maritime autonomous station keeping (MASK) | |
| RU2483280C1 (en) | Navigation system | |
| CN103970021A (en) | Relaxation power positioning control system based on model prediction control | |
| Xu et al. | A novel self-adapting filter based navigation algorithm for autonomous underwater vehicles | |
| Majohr et al. | Navigation and automatic control of the measuring dolphin (Messin™) | |
| RU2643072C2 (en) | Method of high-accuracy determination of navigation elements of vessel movement | |
| Ueno | A GPS-based system for precise shipping guidance and control | |
| RU2036432C1 (en) | Inertial satellite module and complex inertial satellite system for navigation, communication, location illumination and control | |
| RU165915U1 (en) | SYSTEM OF AUTOMATIC WIRING OF VESSELS ON A PRESENT MOTION TRAJECTORY | |
| Rasal | Navigation & control of an automated swath surface vessel for bathymetric mapping | |
| Inzartsev et al. | Integrated positioning system of autonomous underwater robot and its application in high latitudes of arctic zone | |
| Naeem et al. | Design of an unmanned catamaran with pollutant tracking and surveying capabilities | |
| Kobatake et al. | Track control system for autonomous solar-powered surface vehicle | |
| Morón et al. | Autopilot for a robotic boat based on an open hardware configuration | |
| Gelin | A High-Rate Virtual Instrument of Marine Vehicle Motions for Underwater Navigation and Ocean Remote Sensing | |
| Storbacka | Development of autonomous navigation systems for maritime applications | |
| Ånonsen et al. | Water Referenced Doppler Velocity Aiding for AUV Navigation | |
| US20230259085A1 (en) | Trim management system | |
| Kupraty et al. | Global and local planning of ship route using MATLAB and Simulink | |
| Moreira et al. | Guidance and control of autonomous vehicles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140802 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150610 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160802 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190515 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20220309 |