Метод управления подводным роботом с вол нообразным движителем с использованием активного подавления помех и нечеткой логики

Статья посвящена разработке и анализу алгоритмов управления автономным необитаемым подводным аппаратом (АНПА) с волнообразным движителем. Проводится анализ и краткий обзор работ, в которых рассматриваются динамическая и кинематическая модели подводного робота с волнообразным плавником. Представлена модель робота во взаимодействии с окружающей средой в библиотеке Simscape-MATLAB. Для решения задачи управления движением подвод ного робота с волнообразным движителем по курсу и по глубине предлагается применить метод активного управления подавлением помех ADRC (Active Disturbance Rejection Control). Это метод управления, основанный на расширении модели системы путем введения дополнительной переменной состояния, представляющей все, что не включается в математическое описание самой системы. Виртуальное состояние объекта управления оценивается в режиме онлайн с помощью наблюдателя состояния и используется при формировании управляющего сигнала, чтобы учесть фактическое возмущение, действующее на систему. Преимущества предлагаемого метода заключаются в том, что он не требует точного аналитического описания динамик и АНПА, в частности, аналитического описания связи между управляемыми параметрами движения плавника и соответствующим движением робота. Для решения этой задачи применяются методы нечеткой логики, основанные на законах физики и гидродинамики. Приводятся результаты моделирования движения АНПА при управлении по курсу и по глубине при наличии быстропеременных внешних возмущений с применением полной нелинейной динамической модели с шестью степенями свободы. Проведенные исследования подтверждают работоспособность разработанной модели и предложенного способа управления. 

1. Vorotnikov S., Ermishin K., Nazarova A., Yuschenko A. Multi-agent robotic systems in collaborative robotics // InInternational Conference on Interactive Collaborative Robotics. 2018 Sep 18. Springer, Cham. P. 270—279.

2. Марченко К. П., Коновалов К. В., Ершов С. Д., Ахмад А., Вассуф Я. Разработка математической модели кинематики и динамики колесного дифференциального робота // Научный аспект. 2021. Vol. N. 03(01). P. 277—294.

3. Алексеев В. Л., Горячкин Д. А., Грязнов Н. А., Купренюк В. И., Соснов Е. Н. Перспективы использования строб-лидаров в автономномных мобильных роботах // Робототехника и техническая кибернетика. 2021. № 2 (9). С. 133—141.

4. Андреев В. П. Обеспечение безопасности работы кино- и тележурналистов средствами экстремальной робототехники // Международной научно-технической конференции "Экстремальная робототехника". 2022. С. 25—34.

5. Чернышев В. В., Арыканцев В. В., Калинин Я. В., Насари Задеган А. Х., Шаронов Н. Г. Отработка методов управления движением шагающих робототехнических систем передвигающихся по дну // Междунар. науч.-техн. Конф. "Экстремальная робототехника". 2022. С. 286—294.

6. Engineers, Use Biomimicry to Innovate the Propulsion of Unmanned Underwater Vehicles. URL: https://www.ansys.com/blog/biomimicry-innovates-unmanned-underwater-vehicles.

7. Pliant, Energy Systems — Swimming Skating Crawling Robot. URL: https://www. pliantenergy.com/robotics

8. URL: https://www.festo.com/tw/en/e/ journal/collision-free-swimming-with-ultrasound-id_45231/

9. Hu T., Shen L., Lin L., Xu H. Biological inspirations, kinematics modeling, mechanism design and experiments on an undulating robotic fin inspired by Gymnarchus niloticus // Mechanism and machine theory. 2009 Mar 1. Vol. 44, N. 3. P. 633—45.

10. Sfakiotakis M., Lane D. M., Davies J. B. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion // IEEE Journal of oceanic engineering. 1999 Apr. Vol. 24, N. 2. P. 237—52.

11. Hu T., Low K. H., Shen L., Xu X. Effective phase tracking for bioinspired undulations of robotic fish models: A learning control approach // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2012 Nov 26. Vol. 19, N. 1. P. 191—200.

12. Ахмад А., Вассуф Я., Коновалов К. В., Ющенко А. С. Исследование подводного робота с волнообразным движителем // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 11. С. 607—616.

13. SNAME. Nomenclature for treating the motion of a submerged body through a fluid // Technical and Research Bulletin. 1950. P. 1—5.

14. Antonelli G., Antonelli G. Underwater robots. Switzerland: Springer International Publishing, 2014. Vol. 3. P. 23—48.

15. Ахмад А., Ющенко А. С. Динамическая модель подводного мобильного робота с волнообразными движителями // Труды 33-й Междунар. науч.-техн. конф. "Экстремальная робототехника". 2022.

16. Huang Y. et al. Active disturbance rejection control: Methodology, practice and analysis // Proceedings of the 33rd Chinese Control Conference. IEEE, 2014. P. 1—5.

17. Han J. From PID to active disturbance rejection control // IEEE Trans. Ind. Electron. 2009. Vol. 56, N. 3. P. 900—906.

18. Lakomy K. et al. Active Disturbance Rejection Control (ADRC) Toolbox for MATLAB/Simulink // arXiv preprint arXiv:2112.01614. 2021.