novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.26.98-108novtexmech-1690Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSИдентификация параметров взаимодействия звеньев подводных манипуляторов с вязкой средой для точного автоматического выполненияманипуляционных операций. Часть 1Identifi cation of Interaction Parameters of Underwater Manipulator Links with a Viscous Medium for Precise Automatic Execution of Manipulation Operations. Part 1ФиларетовВ. Ф.FilaretovV. F.

В. Ф. Филаретов, д-р техн. наук, проф., зав. лаб.

г. Владивосток

Filaretov Vladimir F., Dr. of Sci., Professor, Head of Laboratory

Vladivostok, 690941

filaretov@inbox.ruЗуевА. В.ZuevA. V.

А. В. Зуев, д-р техн. наук, доц., вед. науч. сотр.

г. Владивосток

Vladivostok, 690941;  Vladivostok, 690950; Vladivostok, 690950

ТимошенкоА. А.TimoshenkoA. A.

А. А. Тимошенко, науч. сотр.

г. Владивосток

Vladivostok, 690950

timoshenko.aal@mail.ruИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАНРоссияInstitute of Automation and Control Processes FEB RASRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; нститут проблем морских технологий им. академика М. Д. Агеева ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университетРоссияInstitute of Automation and Control Processes FEB RAS; Institute of Marine Technology Problems FEB RAS; Far Eastern Federal UniversityRussian FederationИнститут проблем морских технологий им. академика М. Д. Агеева ДВО РАНРоссияInstitute of Marine Technology Problems FEB RASRussian Federation20250502202526298108Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20252025Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1690

Решается задача выявления особенностей взаимодействия звеньев подводных манипуляторов (ПМ), которыми оснащаются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), с вязкой средой. Показывается, что для точного управления ПМ обязательно должны быть максимально корректно учтены вязкие трения, а также массы и моменты инерции жидкости, присоединяемой к звеньям ПМ в процессе его движения. Процедура идентификации параметров взаимодействия перемещающегося ПМ и вязкой среды проводится перед началом технологических операций вблизи объектов работ. Эти параметры в дальнейшем используются при расчете силовых и моментных воздействий со стороны движущегося ПМ на корпус АНПА для его высокоточной стабилизации в режиме зависания над объектами работ, а также для реализации обратных связей синтезируемых позиционно-силовых систем управления ПМ, обеспечивающих автоматическое выполнение подводных контактных технологических операций.

В первой части статьи на основе рекуррентных уравнений решения обратной задачи динамики представлена динамическая модель ПМ в виде линейной регрессии, в которой неизвестные параметры входят линейно в уравнения обобщенных сил (моментов), действующих в сочленениях ПМ. Этот вид модели ПМ позволяет выполнить идентификацию всех неизвестных параметров с помощью линейного фильтра Калмана.

Результаты исследования полной математической модели АНПА с ПМ, выполненные во второй части статьи, подтвердили работоспособность и высокую эффективность предлагаемого метода идентификации параметров взаимодействия звеньев ПМ с вязкой средой.

The paper solves the problem of identifying the features of the interaction of underwater manipulators (UM) links, which autonomous underwater vehicles (AUV) are equipped with, with a viscous medium. It is shown that for precise control of the UM, viscous friction, as well as the added masses and moments of inertia of the UM links during its movement must be taken into account as correctly as possible. The procedure for identifying the parameters of interaction between a moving UM and a viscous medium is carried out before starting technological operations near work sites. These parameters are further used in the calculation of force and torque effects from the moving UM on the AUV body for its high-precision stabilization in the hover mode over the objects of work, as well as for the implementation of feedbacks of synthesized positional-force UM control systems that ensure automatic execution of underwater contact technological operations. In the first part of the article a dynamic model of UM, based on recurrent equations for soving the inverse problem of dynamics, is presented in the form of linear regression. In this model unknown parameters enter linearly into the equations of generalized forces (moments) acting in the joints of UM. This type of UM model allows the identification of all unknown parameters using a linear Kalman filter. The results of the study of the complete mathematical model of AUV with UM, performed in the second part of the article, confirmed the operability and high efficiency of the proposed method for identifying the parameters of the interaction of UM units with a viscous medium

идентификацияподводный манипуляторавтономный необитаемый подводный аппаратдинамическая модельприсоединенные массы и моменты инерции жидкостикоэффициенты вязкого трениягидродинамикаidentificationunderwater manipulatorautonomous underwater vehicledynamic modeladded masses and moments of inertiaviscous friction coefficientshydrodynamicИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда No 24-19 -00218, https://rscf.ru/project/24-19-00218/The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation No. 24-19-00218, https://rscf.ru/project/24-19-00218/ReferencesGriffiths G. Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles. London: CRC Press, 2003. 368 с.Griffiths G. Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles, CRC Press, 2003, 368 p.Инзарцев А. В., Киселев Л. В., Костенко В. В., Матвиенко Ю. В., Павин А. М., Щербатюк А. Ф. Подводные робототехнические комплексы: системы, технологии, применение. Владивосток: Изд-во ИПМТ ДВО РАН, 2018. 368 с.Inzartsev A. V., Kiselev L. V., Kostenko V. V., Matvienko Yu. V., Pavin A. M., Scherbatyuk А. F. Underwater robotic complexes: systems, technologies, applications, Vladivostok, IPMT DVO RAN, 2018, 368 p. (in Russian).Ehlers F. Autonomous Underwater Vehicles: Design and practice. London: IET Digital Library, 2020. 592 с.Ehlers F. Autonomous Underwater Vehicles: Design and practice, IET Digital Library, 2020, 592 p.Antonelli G. Underwater Robots. Springer International Publishing Switzerland, 2014. 279 с.Antonelli G. Underwater Robots, Springer International Publishing Switzerland, 2014, 279 p.Ribas D., Palomeras N., Ridao P., Carreras M., Mallios А. Girona 500 AUV: From Survey to Intervention // IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics. 2012. Vol. 17, N. 1. P. 46—53.Ribas D., Palomeras N., Ridao P., Carreras M., Mallios А. Girona 500 AUV: From Survey to Intervention, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2012, vol. 17, no. 1, pp. 46—53.Патент РФ № 2799176, Бюл. № 19 от 04.07.2023. Способ позиционно-силового управления автономным необитаемым подводным аппаратом с многостепенным манипулятором / Зуев А. В., Филаретов В. Ф., Тимошенко А. А.Zuev A. V., Filaretov V. F., Timoshenko A. A. А method of position force control of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a multi-degree manipulator, Patent of the Russian Federation no. 2799176, The bulletin no.19 from 04.07.2023 (in Russian)Filaretov V., Yukhimets D. Synthesis method of control system for spatial motion of autonomous underwater vehicle // International Journal of Industrial Engineering and Management. 2012. Vol. 3, N. 3. P. 133—141.Filaretov V., Yukhimets D. Synthesis method of control system for spatial motion of autonomous underwater vehicle, International Journal of Industrial Engineering and Management, 2012, vol. 3, no. 3, pp. 133—141.Зуев А. В., Филаретов В. Ф. Особенности создания комбинированных позиционно-силовых систем управления манипуляторами // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2009. № 1. С. 154—162.Zuev A. V., Filaretov V. F. Features of the creation of combined positional power control systems for manipulators. Izvestiya Rossiyskoy Akademii Nauk. Teoriya i Sistemy Upravleniya, 2009, no. 1, pp. 154—162 (in Russian).Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Тимошенко А. А. Особенности выполнения технологических операций с помощью автономных необитаемых подводных аппаратов, оснащаемых многозвенными манипуляторами // Вестник ДВО РАН. 2024. № 3. С. 54—64.Filaretov V. F., Zuev A. V., Timoshenko А. A. Features of performing technological operations using autonomous uninhabited underwater vehicles equipped with multi-link manipulators, Vestnik DVO RAN, 2024, no. 3. pp. 54—64 (in Russian).Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Мурсалимов Э. Ш. Метод идентификации параметров математической модели подводного аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 10. С. 64—70.Filaretov V. F., Yukhimets D. A., Mursalimov E. Sh. Method of identification of parameters of the mathematical model of the underwater vehicle, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2012, no. 10, pp. 64—70 (in Russian).Потапов А. П., Галяев И. А., Галяев А. А. Об одной задаче идентификации модели необитаемого подводного аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 25, № 3. С. 132—141.Potapov A. P., Galyaev I. A., Galyaev А. A. On one task of identifying a model of an uninhabited underwater vehicle, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2024, vol. 25, no. 3, pp. 132—141 (in Russian).Лойцянский Л. Механика жидкости и газа. Рипол Классик, 1950. 676 с.Loytsyanskiy L. Mechanics of liquid and gas, Ripol klassik, 1950, 676 p. (in Russian).Newman J. N. Marinehydrodynamics. London: The MIT press, 2018. 448 с.Newman J. N. Marine hydrodynamics, The MIT press, 2018, 448 p.Кленов А. И., Ветчанин Е. В., Килин А. А. Экспериментальное определение присоединенных масс тела методом буксировки // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. 2015. Т. 25, № 4. С. 568—582.Klenov A. I., Vetchanin E. V., Kilin А. A. Experimental determination of added masses of the body by towing method, Vestnik Udmurtskogo universiteta. Matematika. Mekhanika. Kompyuternye nauki, 2015, vol. 25, no. 4, pp. 568—582 (in Russian).Javanmard E., Mansoorzadeh Sh., Javad A. M. А new CFD method for determination of translational added mass coefficients of an underwater vehicle // Ocean Engineering. 2020. Vol. 215. P. 1—9.Javanmard E., Mansoorzadeh Sh., Javad A. M. А new CFD method for determination of translational added mass coefficients of an underwater vehicle, Ocean Engineering, 2020, vol. 215, pp. 1—9.Tang S., Ura T., Nakatani T., Thornton B., Jiang T. Estimation of the hydrodynamic coefficients of the complex-shaped autonomous underwater vehicle TUNA-SAND // J. Mar. Sci. Technol. 2009. Vol. 14. СP. 373—386.Tang S., Ura T., Nakatani T., Thornton B., Jiang T. Estimation of the hydrodynamic coefficients of the complex-shaped autonomous underwater vehicle TUNA-SAND, J. Mar. Sci. Technol., 2009, vol. 14, pp. 373—386.Колюбин С. А. Динамика робототехнических систем. СПб: Изд-во Ун-та ИТМО, 2017. 117 с.Kolyubin S. A. Dynamics of robotic systems, Saint-Petersburg, Sankt-Peterburgskiy natsionalnyy issledovatelskiy universitet informatsionnyh tekhnologiy, mekhaniki i optiki, 2017, 117 p. (in Russian)McMillan S., Orin D. E., McGhee R. B. Efficient dynamic simulation of an unmanned underwater vehicle with a manipulator // Proc. of the International Conference on Robotics and Automation. 1994. P. 1133—l140.McMillan S., Orin D. E., McGhee R. B. Efficient dynamic simulation of an unmanned underwater vehicle with a manipulator, Proc. of the International Conference on Robotics and Automation, 1994, pp. 1133—l140.Пантов Е. Н., Махин Е. Е., Шереметов Б. Б. Основы теории движения подводных аппаратов. Л.: Судостроение, 1973. 209 с.Pantov E. N., Mahin E. E., Sheremetov В. B. Fundamentals of the theory of motion of underwater vehicles, Leningrad, Sudostroenie, 1973, 209 p. (in Russian).Fossen T. I. Guidance and control of ocean vehicles. Chichester: Wiley, 1994. 494 с.Fossen T. I. Guidance and control of ocean vehicles, Wiley, 1994, 494 p.Филаретов В. Ф. Коноплин А. Ю. Система автоматической стабилизации подводного аппарата в режиме зависания при работающем многозвенном манипуляторе. Часть 1 // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 6. С. 53—56.Filaretov V. F. Konoplin А. Yu. The system of automatic stabilization of the underwater vehicle in hover mode with the multi-link manipulator operating. Part 1, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2014, no. 6, pp. 53—56 (in Russian).Филаретов В. Ф., Алексеев Ю. К., Лебедев А. В. Системы управления подводными роботами. М.: Круглый год, 2001. 288 с.Filaretov V. F., Alekseev Yu. K., Lebedev А. V. Underwater robot control systems (Sistemy upravleniya podvodnymi robotami), Moscow, Kruglyy god, 2001, 288 p. (in Russian).Зуев А. В., Жирабок А. Н., Филаретов В. Ф., Проценко А. А. Идентификация дефектов в нестационарных системах на основе скользящих наблюдателей // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 12. С. 625—633.Zuev A. V., Zhirabok A. N., Filaretov V. F., Protsenko А. A. Identification of defects in non-stationary systems based on sliding observers, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2021, vol. 22, no. 12, pp. 625—633 (in Russian).Крейг Д. Д. Введение в робототехнику: механика и управление. Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2013. 564 с.Kreyg D. D. Introduction to Robotics: Mechanics and Control (Vvedenie v robototekhniku: mekhanika i upravlenie), Izhevsk, I zhevskiy institut kompyuternyh issledovaniy, 2013, 564 p. (in Russian).Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров, 1974. 832 с.Korn G., Korn T. Handbook of Mathematics for researchers and engineers, 1974, 832 p. (in Russian).Короткин А. И. Присоединенные массы судна: Справочник. Л.: Судостроение, 1986. 312 с.Korotkin А. I. Added masses of the vessel: Handbook (Prisoedinennye massy sudna: Spravochnik), Leningrad, Sudostroenie, 1986, 312 p. (in Russian).

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