novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.132-141novtexmech-1515Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSINGОб одной задаче идентификации модели необитаемого подводного аппаратаOn One Problem of Identifying a Model of an Uninhabited Underwater VehicleПотаповА. П.PotapovA. P.

математик

Москва

Potapov Anton P., Mathematician

Moscow

anton-1191@mail.ruГаляевИ. А.GalyaevI. A.

мл. науч. сотр.

Москва

Moscow

ivan.galyaev@yandex.ruГаляевА. А.GalyaevA. A.

д-р техн. наук, чл. корр. РАН

Москва

Moscow

galaev@ipu.ruИнститут проблем управления им. В. А. Трапезникова РАНРоссияV. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences RASRussian Federation202405032024253132141Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1515

Проблема построения системы управления подводными аппаратами актуальна в связи с расширяющейся сферой их применения, в том числе в автономных режимах. При этом требуется иметь возможность использовать эти устройства как в квазистационарном, так и близком к импульсному режимах. Таким образом, необходима разработка математической модели динамики аппарата для автономной работы необитаемого подводного аппарата (НПА). Данная статья посвящена проблеме идентификации модели НПА. Проведен сравнительный анализ моделей динамики НПА, среди которых была выбрана модель, использующая присоединенные массы жидкости для описания гидродинамических сил. Для НПА симметричной обтекаемой формы с малым водоизмещением и совершающих плоские движения предполагается, что влияние присоединенной жидкости проявляется в виде увеличения массы и моментов инерции. На модели была построена система управления, предназначенная для стабилизации устройства, после чего она была настроена на существующий образец НПА. Рассмотренные теоретические и экспериментальные методы идентификации динамической модели НПА оказались конкурентоспособными друг с другом и дали сопоставимые результаты для расчета присоединенных масс. Проведенные натурные эксперименты подтверждают, что предложенный метод оценки присоединенных масс достаточно эффективен для построения системы управления, рассчитанной на работу в заданном режиме движения.

The problem of constructing a control system for underwater vehicles is relevant due to the growing scope of their application, including acting in autonomous modes. Moreover, it is required to have an ability to use these devices both in quasi-stationary and close to pulsed mode. Thus, it is necessary to develop a mathematical model of vehicle’s dynamics for autonomous operations of an unmanned underwater vehicle (UUV), which would describe the dynamics of motion as close as possible to the real one. The current paper is denoted to the identification problem of UUV model. A comparative analysis of UUV dynamics models was carries out, among which a model that uses added masses of liquid to describe hydrodynamic forces was selected. For UUV of a symmetrical streamlined shape with a small displacement and performing plane movements, it is assumed that the influence of the attached fluid manifests itself in the form of an increase in mass and moments of inertia. A control system designed to stabilize the device was built on the model, after which it was adjusted on the existing sample of the UUV. The considered theoretical and experimental methods for identifying the dynamic model of the UUV turned out to be competitive with each other and gave comparable results for calculating the added masses. The carried out full-scale experiments confirms that the proposed method for estimating the added masses is quite effective for constructing a control system designed to operate in a given motion mode.

задача идентификациинеобитаемый подводный аппаратмодель динамикиприсоединенная массазадача стабилизацииidentification problemuninhabited underwater vehicledynamics modeladded massstabilization problemРабота выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-19–00134.This work was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-19—00134.ReferencesPeng Z., Wang J., Han Q. L. Path-Following Control of Autonomous Underwater Vehicles Subject to Velocity and Input Constraints via Neurodynamic Optimization // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. Vol. 66, N. 11. P. 8724—8732.Peng Z., Wang J., Han Q. L. Path-Following Control of Autonomous Underwater Vehicles Subject to Velocity and Input Constraints via Neurodynamic Optimization, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, vol. 66, no. 11, pp. 8724—8732.Lakhekar G. V., Waghmare L. M., Roy R. G. Disturbance Observer-Based Fuzzy Adapted S-Surface Controller for Spatial Trajectory Tracking of Autonomous Underwater Vehicle // IEEE Transactions on Intelligent Vehicles. 2019. Vol. 4, N. 4. P. 622—636.Lakhekar G. V., Waghmare L. M., Roy R. G. Disturbance Observer-Based Fuzzy Adapted S-Surface Controller for Spatial Trajectory Tracking of Autonomous Underwater Vehicle, IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, 2019, vol. 4, no. 4, pp. 622—636.Wang T., Ding F., Sun Z. Visual-Aided Shared Control of Semi-Autonomous Underwater Vehicle for Efficient Underwater Grasping // Journal of Marine Science and Engineering. 2023. Vol. 11, N. 9. P. 1837.Wang T., Ding F., Sun Z. Visual-Aided Shared Control of Semi-Autonomous Underwater Vehicle for Efficient Underwater Grasping, Journal of Marine Science and Engineering, 2023, vol. 11, no. 9, pp. 1837.Inzartsev A., Bagnitckii A., Panin M. Algorithms of the AUV control system for operation under the lower ice edge // 2022 International Conference on Ocean Studies (ICOS). 2022. P. 11—14.Inzartsev A., Bagnitckii A., Panin M. Algorithms of the AUV control system for operation under the lower ice edge, 2022 International Conference on Ocean Studies (ICOS), Vladivostok, Russian Federation. 2022, pp. 11—14.Spears A., West M., Meister M., Buffo J., Walker C., Collins Th. R., Howard A., Schmidt B. Under Ice in Antarctica: The Icefin Unmanned Underwater Vehicle Development and Deployment // IEEE Robotics and Automation Magazine. 2016. Vol. 23, N. 4. P. 30—41.Spears A., West M., Meister M., Buffo J., Walker C., Collins Th. R., Howard A., Schmidt B. Under Ice in Antarctica: The Icefin Unmanned Underwater Vehicle Development and Deployment, IEEE Robotics and Automation Magazine, 2016, vol. 23, no. 4, pp. 30—41.Киселев Л. В., Юдаков А. А. Подводные роботы и их системы. Владивосток: Дальнаука, 1992. С. 28—50.Kiselev L. V., Yudakov A. A. Dynamics of an underwater robot during trajectory inspection of objects, Underwater robots and their systems, ed. L. V. Kiselev, under the general editorship. M. D. Ageev, Vladivostok, Dalnauka, 1992, pp. 28—50 (in Russian).Пантов Е. Н., Махин М. М. Адаптивное управление в линейно-квадратичной задаче в условиях априорной неопределенности // Изв. АН СССР. Техн. Кибернетика. 1987. № 4. С. 153—158.Pantov E. N., Makhin M. M. Adaptive control in a linearquadratic problem under conditions of a priori uncertainty, Izv. Academy of Sciences of the USSR. Tech. Cybernetics, 1987, no. 4, pp. 153—158 (in Russian).Fossen Thor I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. UK: John Woley and Sons Ltd, 2011. 575 p.Fossen Thor I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control, John Woley and Sons Ltd, 2011, 575 p.Филаретов В. Ф., Лебедев А. В., Юхимец Д. А. Устройства и системы управления подводных роботов. М.: Наука, 2005, 270 с.Filaretov V. F., Lebedev A. V., Yukhimets D. A. Devices and control systems for underwater robots, Moscow, Nauka, 2005, 270 p. (in Russian).Лукомский Ю. А., Чугунов В. С. Системы управления морскими подвижными объектами. Л.: Судостроение, 1988. 271 с.Lukomsky Yu. A., Chugunov V. S. Control systems for marine mobile objects, Leningrad, Sudostroenie, 1988, 271 p. (in Russian).Куафе Ф. Взаимодействие робота с внешней средой, М.: Мир, 1985. 287 с.Kuafe F. Interaction of a robot with the external environment, Moscow, Mir, 1985, 287 p. (in Russian).Dubowsky S., Papadopoulos E. The kinematics, dynamics and control of free-flying and free-floating space robotic systems // IEEE Trans. Robotics and Automation. 1993. Vol.9, N. 5. P. 531—543.Dubowsky S., Papadopoulos E. The kinematics, dynamics and control of free-flying and free-floating space robotic systems, IEEE Trans. Robotics and Automation, 1993, vol. 9, no. 5, pp. 531—543.Humpfries D. Dynamics and hydrodynamics of ocean vehicles // IEEE Trans. Oceans’81 conf. proc. 1981. Vol. 1. P.88—91.Humpfries D. Dynamics and hydrodynamics of ocean vehicles, IEEE Trans. Oceans’81 conf. proc., 1981, vol. 1, pp. 88—91.Janocha H., Papadimitrou I. Simulation of the dynamic behavior of robots in an extreme environment // Robot. and Computer-Integr. Manufact. 1991. Vol.8, N. 3. P. 163—169.Janocha H., Papadimitrou I. Simulation of the dynamic behavior of robots in an extreme environment, Robot. and Computer-Integr. Manufact., 1991, vol. 8, no. 3, pp. 163—169.Боженов Ю. А., Борков А. П., Гаврилов В. М., Жуков Ю. И., Иконников И. Б., Постников И. В., Соловьев В. И., Ушенин Л. Н., Филиппов Д. Н. Самоходные необитаемые подводное аппараты. Л.: Судостроение, 1986. 264 с.Bozhenov Yu. A., Borkov A. P., Gavrilov V. M., Zhukov Yu. I., Ikonnikov I. B., Postnikov I. V., Solovyov V. I., Ushenin L. N., Filippov D. N. Self-propelled uninhabited underwater vehicles, Leningrad, Sudostroenie, 1986, 264 p. (in Russian).Kim H., Leong Zh.Q., Ranmuthugala D., Forrest A. Simulation and Validation of an AUV in Variable Accelerations // Int. J. Offshore Polar Eng. 2015. Vol. 25, N. 1. P. 35—44.Kim H., Leong Zh.Q., Ranmuthugala D., Forrest A. Simulation and Validation of an AUV in Variable Accelerations, Int. J. Offshore Polar Eng., 2015, vol. 25, iss. 1, pp. 35—44.Park J. Y., Kim N., Shin Y. K. Experimental study on hydrodynamic coefficients for high-incidence-angle maneuver of a submarine // Int. J. Naval Architecture and Ocean Eng. 2017. Vol. 9, N. 1. P. 100—113.Park J. Y., Kim N., Shin Y. K. Experimental study on hydrodynamic coefficients for high-incidence-angle maneuver of a submarine, Int. J. Naval Architecture and Ocean Eng., 2017, vol. 9, iss. 1, pp. 100—113.Javanmard E., Mansoorzadeh Sh., Javad A. M. A new CFD method for determination of translational added mass coefficients of an underwater vehicle // Ocean Engineering. 2020. Vol. 215.Javanmard E., Mansoorzadeh Sh., Javad A. M. A new CFD method for determination of translational added mass coefficients of an underwater vehicle, Ocean Engineering, 2020, vol. 215.Geisbert, J. S. Hydrodynamic Modeling for Autonomous Underwater Vehicles Using Computational and Semi-Empirical Methods, MSc Thesis, Virginia Tech, 2007.Geisbert J. S. Hydrodynamic Modeling for Autonomous Underwater Vehicles Using Computational and Semi-Empirical Methods, MSc Thesis, Virginia Tech, 2007.Lin G., Yang Y., He Zh., Jiao P. Hydrodynamic optimization in high-acceleration underwater motions using added-mass coefficient // Ocean Engineering. 2022. Vol. 263.Lin G., Yang Y., He Zh., Jiao P. Hydrodynamic optimization in high-acceleration underwater motions using added-mass coefficient, Ocean Engineering, 2022, vol. 263.Патрашев А. Н., Кивако Л. А., Гожий С. Н. Прикладная гидромеханика. М.: Воениздат, 1970, 688 С.Patrashev A. N., Kivako L. A., Gozhiy S. N. Applied hydromechanics, Moscow, Voenizdat, 1970, 688 p. (in Russian).Короткин А. И. Присоединенные массы судна: Справочник. Л.: Судостроение, 1986, 312 С.Korotkin A. I. Added masses of the vessel: Directory, Leningrad, Shipbuilding, 1986, 312 p. (in Russian).Newman J. N. Marine Hydrodynamics. Cambridge, MA.: The MIT Press, 2017. 426 p.Newman J. N. Marine Hydrodynamics, Cambridge, MA., The MIT Press, 2017, 426 p.Galyaev A. A., Guryev Y. V., Silnikov M. V., Tkachenko I. V., Yakushenko E. I. Computer simulation of surface hydrophysical anomalies detected by spacecraft radars // Acta Astronautica. 2023. N. 204. P. 887—891.Galyaev A. A., Guryev Y. V., Silnikov M. V., Tkachenko I. V., Yakushenko E. I. Computer simulation of surface hydrophysical anomalies detected by spacecraft radars, Acta Astronautica, 2023, 204, pp. 887—891.Ерманюк Е. В., Гаврилов Н. В. Экспериментальное исследование силового воздействия уединенной внутренней волны на погруженный круговой цилиндр // Прикладная механика и теоретическая физика. 2005. Т. 46, № 6. С. 36—44.Ermanyuk E. V., Gavrilov N. V. Experimental study of the force effect of a solitary internal wave on an immersed circular cylinder, Applied Mechanics and Theoretical Physics, 2005, vol. 46, no. 6, pp. 36—44 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.