Метод синтеза позиционно-силовых систем управления электроприводами многостепенных манипуляторов, установленных на автономные необитаемые подводные аппараты. Часть 1

Обсуждается решение задачи разработки метода синтеза комбинированных позиционно-силовых систем управления (СУ) электроприводами (ЭП) многозвенных подводных манипуляторов (МПМ), устанавливаемых на автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), работающие в режиме посадки на грунт или на объекты работ с последующей жесткой фиксацией этих АНПА с помощью специальных устройств.
Для решения этой задачи в первой части статьи предложен комплексный метод, согласно которому для ЭП каждой степени подвижности МПМ вначале выполняется синтез самонастраивающегося корректирующего устройства (СКУ), позволяющего стабилизировать его переменные динамические параметры на заданном номинальном уровне. Эта стабилизация обеспечивает компенсацию влияния сил сухого и вязкого трения, а также части внешнего момента, обусловленного взаимовлияниями между звеньями МПМ и их взаимодействием с вязкой средой, на качество управления. Затем для обеспечения работы СКУ и СУ ЭП в целом на основе исходных нелинейных моделей ЭП выполняется синтез наблюдателей с переменной структурой, позволяющих получать информацию о текущих значениях внешних моментов, а также скоростей и ускорений вращения выходных валов всех ЭП. С использованием этой полной информации, с помощью только датчиков положения указанных выходных валов удалось синтезировать позиционносиловые регуляторы для ЭП, минимизирующие выбранный квадратичный критерий качества, и обеспечить заданные перемещения выходных валов ЭП с одновременным созданием требуемых моментов.
С использованием этих позиционно-силовых регуляторов во второй части статьи выполнен синтез комбинированной позиционно-силовой СУ всеми ЭП МПМ, способной, как показали результаты компьютерного моделирования, обеспечивать точные перемещения рабочего инструмента МПМ по задаваемым пространственным траекториям в условиях переменных параметров взаимодействия всех его звеньев с вязкой средой (вязких трений и присоединенных масс жидкости) при одновременном создании требуемых силовых воздействий на объекты работ в процессе выполнения различных сложных силовых технологических операций.

1. Simetti E., Casalino G., Torelli S., Sperinde A., Turetta A. Floating Underwater Manipulation: Developed Control Methodology and Experimental Validation within the TRIDENT Project // Journal of Field Robotics. 2014. Vol. 31, N. 3. P. 364—385. DOI: 10.1002/rob.21497.

2. Fossen T. I. Handbook of marine craft hydrodyna mics and motion control. John Wiley & Sons, 2011. 596 p. DOI: 10.1002/9781119994138.

3. 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: ИПМТ ДВО РАН, 2018. 368 с.

4. Griffiths G. Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles. London: CRC Press, 2003. 369 p. DOI: 10.1201/9780203522301.

5. Kumar S., Rastogi V., Gupta P. A hybrid impedance control scheme for underwater welding robots with a passive foundation in the controller domain // Simulation. 2017. Vol. 93, N. 7. P. 1—12. DOI: 10.1177/0037549717693687.

6. Seki Yu., Sagara Sh., Ambar R. Impedance Control of Dual-Arm 3-link Underwater Robot: In the Case of Grasping a Fixed Object Lightly with One Hand // Proc. of the 2018 International Conference on Information and Communication Technology Robotics (ICT-ROBOT). 2018. P. 1—4. DOI: 10.1109/ICT-ROBOT.2018.8549882.

7. Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Coupled and Decoupled Force/Motion Controllers for an Underwater VehicleManipulator System // Journal of marine science and engineering. 2018. Vol. 96, N. 6. P. 1—23. DOI: 10.3390/jmse6030096.

8. Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Position/force operational space control for underwater manipulation // Robotics and Autonomous Systems. 2018. Vol. 100. P. 150—159. DOI: 10.1016/j.robot.2017.11.004.

9. Коноплин А. Ю., Красавин Н. А., Юрманов А. П., Пятавин П. А., Кацурин А. А. Система позиционносилового управления подводными аппаратами с многозвенными манипуляторами для выполнения контактных манипуляционных операций // Подводные исследования и робототехника. 2022. Т. 42, № 4. С. 40—52. DOI: 10.37102/1992-4429_2022_42_04_04.

10. 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.

11. Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Тимошенко А. А. Идентификация параметров взаимодействия звеньев подводных манипуляторов с вязкой средой для точного автоматического выполнения манипуляционных операций. Часть 1 // Мехатроника, автоматизация, управление. 2025. Т. 26, № 2. С. 98—108. DOI: 10.17587/mau.26.98-108.

12. Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Тимошенко А. А. Идентификация параметров взаимодействия звеньев подводных манипуляторов с вязкой средой для точного автоматического выполнения манипуляционных операций. Часть 2 // Мехатроника, автоматизация, управление. 2025. Т. 26, № 3. С. 128—138. DOI: 10.17587/mau.26.128-138.

13. Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Губанков А. С. Управление манипуляторами при выполнении различных технологических операций. М.: Наука, 2018. 232 с.

14. Филаретов В. Ф. Самонастраивающиеся системы управления приводами манипуляторов. Владивосток: Издво ДВГТУ, 2000. 304 с.

15. Zuev A. V., Protsenko A. A., Timoshenko A. A., Kopylov D. V. Method for constructing self-adjusting correcting devices for electric drives of underwater manipulators using brushless DC motors // Extreme robotics. 2022. Vol. 1, N. 1. P. 277—285.

16. Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Тимошенко А. А. Адаптивное управление электроприводами подводных манипуляторов // Морские интеллектуальные технологии. 2024, № 4. Часть 4. С. 83—90. DOI: 10.37220/mit.2024.66.4.083.

17. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Мурсалимов Э. Ш. Метод комплексирования данных с навигационных датчиков подводного аппарата с использованием нелинейного фильтра Калмана // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 8. С. 64—70.

18. B rhaug E., Pivano L., Pettersen K. Y., Johansen T. A. A Model-based ocean current observer for 6DoF underwater vehicles // IFAC Proc. 2007. Vol. 40, N. 17. P. 169—174. DOI: 10.3182/20070919-3-HR-3904.00031.

19. Жирабок А. Н., Зуев А. В., Шумский А. Е. Метод идентификации дефектов в нелинейных системах на основе скользящих наблюдателей // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2021. № 1. С. 11—23. DOI: 10.31857/S0002338821010145.

20. Жирабок А. Н., Зуев А. В., Сергиенко О., Шумский А. Е. Идентификация дефектов в нелинейных динамических системах и их датчиках на основе скользящих наблюдателей // Автоматика и телемеханика. 2022. № 2. С. 63—89. DOI: 10.31857/S0005231022020052.

21. Уткин В. И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. М.: Наука, 1974. 272 с.

22. Кухаренко Н. В. Выбор коэффициентов квадратичных функционалов при аналитическом конструировании регуляторов // Известия ВУЗов. Электромеханика. 1978. № 4. С. 411—417.

23. Крейг Д. Дж. Введение в робототехнику: механика и управление. М.: Ижевск.: Институт компьютерных исследований, 2013. 564 с.