novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.22.262-271novtexmech-989Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSРазработка системы аккомодации к дефектам в движителях подводных роботовDevelopment of Accommodation System for Faults in Thrusters of Underwater RobotsФиларетовВ. Ф.FilaretovV. F.

д-р техн. наук, проф., зав. лаб. 

г. Владивосток

Vladivostok, 690041

Vladivostok, 690950

filaret@iacp.dvo.ruЗуевА. В.ZuevA. V.

канд. техн. наук, доц., зав. лаб. 

г. Владивосток

Vladivostok, 690091 

zuev@dvo.ruЖирабокА. Н.ZhirabokA. N.

д-р техн. наук, проф. 

г. Владивосток

Vladivostok, 690950

Vladivostok, 690091 

zhirabok@mail.ruПроценкоА. А.ProtsenkoA. A.

мл. науч. сотр. 

г. Владивосток

Junior Researcher 

Vladivostok, 690091 

protsenkoAlAn@yandex.ruИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университетРоссияInstitute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences; Far Eastern Federal UniversityRussian FederationИнститут проблем морских технологий ДВО РАНРоссияInstitute of Marine Technology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of SciencesRussian FederationДальневосточный федеральный университет; Институт проблем морских технологий ДВО РАНРоссияFar Eastern Federal University; Institute of Marine Technology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of SciencesRussian Federation202117052021225262271Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20212021Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/989

Обсуждается решение задачи повышения надежности эксплуатации подводных роботов различного вида и назначения за счет использования систем аккомодации, обеспечивающих компенсацию последствий дефектов, появляющихся в движителях в процессе их работы. Рассмотрены дефекты, приводящие к ошибкам в показаниях датчиков угловых скоростей вращения электроприводов движителей; перегрев электродвигателей или замыкание нескольких витков обмоток электрических цепей их якорей, изменяющие активные сопротивления этих якорей; появление дополнительных внешних моментных воздействий на валах движителей, в том числе при намотке водорослей на гребные винты. Предложен новый метод построения систем аккомодации, содержащий три этапа. На первом осуществляется обнаружение и локализация возникающих дефектов с помощью банка диагностических наблюдателей, в котором каждый наблюдатель синтезируется таким образом, чтобы формируемая им невязка была чувствительна к появлению различных комбинаций возможных дефектов. Это позволяет не только точно определить каждый конкретный дефект, но и на втором этапе провести точную оценку ошибок датчиков и отклонений параметров движителей от их номинальных значений. Для этого на втором этапе вводятся дополнительные наблюдатели с переменной структурой, построенные на основе редуцированных (имеющих меньшую размерность) моделей исходной системы. Это позволяет значительно уменьшить сложность процедуры идентификации дефектов и, тем самым, обеспечить их реализацию на бортовых ЭВМ. На третьем этапе осуществляется формирование дополнительных управляющих воздействий, подаваемых на движители роботов, которые обеспечивают стабилизацию их динамических свойств и качественных показателей на номинальном уровне при возникновении перечисленных дефектов. Для этого используются методы построения самонастраивающихся корректирующих устройств, в которые вводятся полученные на предыдущем этапе оценки дефектов.Приведены результаты математического моделирования, которые подтвердили работоспособность и высокую эффективность использования синтезированных систем аккомодации для движителей подводных роботов.

The article discusses a solution to the problem of increasing the reliability of operation of underwater robots through the use of accommodation systems that compensate for the consequences of faults that appear in the thrusters. The following types of faults were considered: 1) a fault in the rotation speed sensor of thruster, causing error in its readings; 2) overheating of the motor or short-circuiting of several turns of the winding of its armature circuit, causing a change in the value of electrical resistance; 3) the appearance of an unknown external torque effect on the engine shaft, including when winding plants on the propeller. A new method for constructing accommodation systems is proposed, which contains three stages. At the first, the detection of emerging faults is carried out using the bank of diagnostic observers. Each observer is synthesized according to a special procedure in such a way that the residual formed by it is sensitive to the appearance of various combinations of possible faults. This allows to detect each specific fault. At the second stage, the values of sensor errors and deviations of the parameters of the thruster from their nominal values are estimated by additional variable structure observers. At the third stage, additional control signals for robot’s thrusters are formed. They ensure the stabilization of dynamic properties and quality indicators of thrusters in the event of faults. The results of mathematical modeling are presented, which have confirmed the operability and high efficiency of the synthesized accommodation system.

подводный роботдвижительдефектнаблюдательдиагностированиеидентификацияаккомодацияunderwater robotthrustersensorfaultobserverdiagnosisidentificationaccommodationРабота выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 20-38-70161 и 19-08-00347, а также Стипендии Президента РФ (СП-3252.2019.5).This work was supported by RFBR grants 20-38-70161 and 19-08-00347, as well as by the Scholarship of President of Russian Federation (SP-3252.2019.5).ReferencesИнзарцев 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., Shcherbatyuk A. F. Underwater robotic systems: systems, technologies, applications, Vladivostok, Publishing house of IPMT DVO RAN, 2018, 368 p. (in Russian).Инзарцев А. В., Грибова В. В., Клещев А. С. Интеллектуальная система для формирования адекватного поведения автономного подводного робота в аварийных ситуациях // Подводные исследования и робототехника. 2015. № 2 (20). С. 4—11.Inzartsev A. V., Gribova V. V., Kleshchyov A. S. Intelligent system for the formation of behavior of an autonomous underwater robot in emergency situations, Podvodnye issledovaniya i robototekhnika, 2015, no. 2 (20), pp. 4—11 (in Russian).Chirikjian G. S. Robotic Self-replication, Self-diagnosis, and Self-repair: Probabilistic Considerations // Distributed Autonomous Robotic Systems. 2009. N. 8. P. 273—281.Chirikjian G. S. Robotic Self-replication, Self-diagnosis, and Self-repair: Probabilistic Considerations, Distributed Autonomous Robotic Systems, 2009, no. 8, pp. 273—281.Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Жирабок А. Н., Проценко А. А., Subudhi B. Метод синтеза систем непрерывной аккомодации к дефектам в навигационно-пилотажных датчиках автономных подводных роботов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 4. С. 282—288.Filaretov V. F., Zuev A. V., Zhirabok A. N., Protsenko A. A., Subudhi B. Method of synthesis of continuous systems of accommodation to the faults in navigation sensors of autonomous underwater robots, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2015, vol. 16, no 4, pp. 282—288 (in Russian).Филаретов В. Ф., Лебедев А. В., Юхимец Д. А. Устройства и системы управления подводных роботов. М.: Наука, 2005. 270 c.Filaretov V. F., Lebedev A. V., Yuhimets D. A. Devices and control systems of underwater robots, Moscow, Nauka, 2005, 270 p. (in Russian).Zhu D., Sun B. Information fusion fault diagnosis method for unmanned underwater vehicle thrusters // IET Electrical Systems in Transportation. 2013. Vol. 3, N. 4. P. 102—111.Zhu D., Sun B. Information fusion fault diagnosis method for unmanned underwater vehicle thrusters, IET Electrical Systems in Transportation, 2013, vol. 3, no. 4, pp. 102—111.Wang J. Fault Diagnosis of Underwater Vehicle with FNN // Proc. of the 10th World Congress on Intelligent Control and Automation. 2012. P. 2931—2934.Wang J. Fault Diagnosis of Underwater Vehicle with FNN, Proc. of the 10th World Congress on Intelligent Control and Automation, 2012, pp. 2931—2934.Zhao B., Skjetne R., Blanke M., Dukan F. Particle Filter for Fault Diagnosis and Robust Navigation of Underwater Robot // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2014. Vol. 22, N. 6. P. 2399—2407.Zhao B., Skjetne R., Blanke M., Dukan F. Particle Filter for Fault Diagnosis and Robust Navigation of Underwater Robot, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2014, vol. 22, no. 6, pp. 2399—2407.Wang J. G. Fault Diagnosis of Underwater Vehicle with Neural Network // Proc. of the 24th Chinese Control and Decision Conference (CCDC). 2012. P. 1613—1617.Wang J. G. Fault Diagnosis of Underwater Vehicle with Neural Network, Proc. of the 24th Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 2012, pp. 1613—1617.Xiao Liang, Wei Li, Linfang Su, Han Yin, Jun Zhao. Thruster Fault Diagnosis of Autonomous Underwater Vehicles Based on Least Disturbance Wavelet Neural Network // Proc. of the Second International Conference on Computer Modeling and Simulation. Sanya, Hainan, China. 2010. P. 78—82.Xiao Liang, Wei Li, Linfang Su, Han Yin, Jun Zhao. Thruster Fault Diagnosis of Autonomous Underwater Vehicles Based on Least Disturbance Wavelet Neural Network, Proc. of the Second International Conference on Computer Modeling and Simulation, Sanya, Hainan, China, 2010, pp. 78—82.Nilanjan Sarkar. Fault-Accommodating Thruster Force Allocation of an AUV Considering Thruster Redundancy and Saturation // IEEE Transactions on Robotics and Automation. 2002. P. 223—233.Nilanjan Sarkar. Fault-Accommodating Thruster Force Allocation of an AUV Considering Thruster Redundancy and Saturation, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2002, pp. 223—233.Агеев М. Д. Упрощенная методика расчета движителей для АПА // Подводные роботы и их системы. Владивосток: Дальнаука, 1995. C. 33—49.Ageev M. D. Simplified methodology for calculating UR propulsion devices, Podvodnye roboty i ih sistemy, Vladivostok, Dal’nauka, 1995, pp. 33—49 (in Russian).Жирабок А. Н., Зуев А. В., Шумский А. Е. Методы диагностирования линейных систем на основе скользящих наблюдателей // Известия РАН. Теория и системы управления. 2019. № 6. С. 73—89.Zhirabok A. N., Zuev A. V., Shumskij A. E. Methods for diagnosing linear systems based on sliding observers, Izvestiya RAN. Teoriya i Sistemy Upravleniya, 2019, no. 6, pp. 73—89 (in Russian).Жирабок А. Н., Зуев А. В., Шумский А. Е. Диагностирование линейных динамических систем: подход на основе скользящих наблюдателей // Автоматика и телемеханика. 2020. № 2. C. 18—35.Zhirabok A. N., Zuev A. V., Shumskij A. E. Diagnosing Linear Dynamical Systems: A Sliding Observer Approach, Avtomatika i telemekhanika, 2020, no. 2, pp. 18—35 (in Russian).Жирабок А. Н., Зуев А. В., Шумский А. Е. Идентификация дефектов в датчиках технических систем с использованием скользящих наблюдателей // Измерительная техника. 2019. № 10. С. 21—28.Zhirabok A. N., Zuev A. V., Shumskij A. E. Identification of faults in sensors of technical systems using sliding observers, Izmeritel’naya Tekhnika, 2019, no. 10, pp. 21—28 (in Russian).Edwards C., Spurgeon S., Patton R. Sliding Mode Observers for Fault Detection and Isolation // Automatica. 2000. Vol. 36. P. 541—553.Edwards C., Spurgeon S., Patton R. Sliding Mode Observers for Fault Detection and Isolation, Automatica, 2000, vol. 36, p. 541—553.He J., Zhang C. Fault Reconstruction Based on Sliding Mode Observer for Nonlinear Systems // Mathematical Problems in Engineering. 2012. Vol. 2012. P. 1—22.He J., Zhang C. Fault reconstruction based on sliding mode observer for nonlinear systems, Mathematical Problems in Engineering, 2012, vol. 2012, pp. 1—22.Alwi H., Edwards C. Fault Tolerant Control Using Sliding Modes with On-line Control Allocation // Automatica. 2008. Vol. 44. P. 1859—1866.Alwi H., Edwards C. Fault Tolerant Control Using Sliding Modes with On-line Control Allocation, Automatica, 2008, vol. 44, p. 1859—1866.Шумский А. Е., Жирабок А. Н. Методы и алгоритмы диагностирования и отказоустойчивого управления динамическими системами. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. 196 c.Shumskij A. E., Zhirabok A. N. Methods and algorithms for diagnosing and fault-tolerant control of dynamic systems, Vladivostok, DVGTU, 2009, 196 p. (in Russian).Уткин В. И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. М.: Наука, 1974. 272 с.Utkin V. I. Sliding Modes and Their Application in Variable Structure Systems, Moscow, Nauka, 1974, 272 p. (in Russian).Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Особенности синтеза высокоточных систем управления скоростным движением и стабилизацией подводных аппаратов в пространстве. Владивосток: Дальнаука. 2016. 400 с.Filaretov V. F., Yuhimets D. A. Features of the synthesis of high-precision control systems for high-speed movement and stabilization of underwater vehicles in space, Vladivostok, Dal’nauka, 2016, 400 p. (in Russian).

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