Замечания и предложения к вопросу разработки алгоритма управления движением глайдера

ЗАМЕЧАНИЯ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГЛАЙДЕРА

© Быканова А.Ю.1

Институт проблем морских технологий ДВО РАН, г. Владивосток

В статье рассмотрены особенности работы глайдеров. Предложено разделить траекторию их движения на периодические движения глайдеров (спуск-подъем), локальные и глобальные движения (отработка рабочей миссии). Предложена методика формирования управления глайдером в условиях значительных ошибок по положению

Ключевые слова траектория движения глайдера, ошибка по положению.

Управление любым техническим объектом предполагает наличие обозначенной цели управления и выработки последовательности действий (алгоритма), которые обеспечат достижения цели с заданными показателями качества.

Развивающееся последние три десятилетия в нашей стране направление подводной робототехники накопило огромный опыт в области управления автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА): разработаны математические модели для АНПА с различными компоновками движе-тельно-рулевых комплексов; определены законы управления подводными аппаратами в пространстве; предложены, апробирован и выявлены наиболее эффективные алгоритмы управления. В большинстве случаев исследования в указанных областях проведены применительно к подводным аппаратам торпедообразной формы.

Для разработки алгоритма управления пространственным движением подводного глайдера необходимо произвести как конструктивный анализ объекта управления, так и изучить особенности задаваемых для глайдеров миссий.

Объектом управления в рассматриваемой статье является глайдер (подводный планёр). Глайдер - это относительно новый объект подводной техники повышенной автономности. Среди особенностей аппарата можно указать на способ его перемещения: по аналогии с воздушными планёрами, ко-

1 Старший научный сотрудник.

торые способны перемещаться в воздушном потоке с выключенными двигателями, подводный планёр «скользит» под водой вверх и вниз по условно синусоидальной или условно пилообразной траектории.

Конструктивно глайдер отличен от традиционных АНПА наличием крыльев, системы управления плавучестью и отсутствием традиционных движителей. Форма корпуса также, как и у большинства подводных аппаратов является удобооптекаемой, что позволяет им перемещаться под водой с наименьшими лобовыми сопротивлениями. На рис.1 приведены наиболее характерные модели глайдеров.

а б

Рис. 1. Глайдеры: а - 81осиш; б - 8ргау

Среди недостатков применения глайдеров стоит отметить малую маневренность, ограничения по минимальной глубине эксплуатации (не менее 4 м) и невозможность развивать скорость более 0,3 м/с, что особо негативно сказывается при попадании глайдеров в боковые и/или встречные течения.

В основном глайдеры позиционируют как сверхавтономные (3-4 месяца) подводные аппараты, способные проходить значительные расстояния без подзарядки. Характерной траекторией движения глайдера является наклонное скольжение вниз и вверх, происходящее благодаря изменению плавучести, смещению центра тяжести аппарата относительно центра объема (задается дифферент) и возникающей на крыльях при движении аппарата подъемной силы. Описанию динамики движения и управлению движением глайдера по пилообразной траектории посвящено достаточное количество работ [1, 2, 3], однако несовершенство алгоритмов управления и их сложность приводит к тому, что в действительности ошибки по положению у глайдера относительно выбранного маршрута следования порой достигают сотни метров.

В основе управления траекторией движения глайдера предлагается применить следующий принцип. Вся траектория движения глайдера разбивается на контрольные заранее известные точки А1 (ак; а1у; 0), лежащие на по-

верхности воды и выраженные в глобальной системе координат. К указанным точкам будут отнесены точки изменения направления движения (например, повороты при галсовой траектории) как показано на рис. 2а (штрих-пунктирная линия). Массив точек А1 предложено обозначить как точки глобальной траектории движения глайдера. Между двумя соседними точками А1 и А1+1 аппарат производит перемещение за некоторое количество погружений-всплытий с контрольными точками В^ которые в идеальном случае должны лежать на одной прямой. В точках ВJ аппарат находится на поверхности воды и производит определение своих действительных координат через систему спутникового позиционирования. Предлагается отрезок глобальной траектории между соседними точками А1 и А1+1 обозначить как локальную траекторию движения, состоящую из массива точек В](В|х; В]у; 0), а циклические движения погружения-всплытия между точками ВJ и В^ обозначить как периодические траектории.

Здесь необходимо отметить одну особенность предложенного подхода к определению точек В] каждую новую точку необходимо рассчитывать по программе т.к. заранее она неизвестна. Как и в любой технической системе, расчетными координатами буду являться желаемые значения Вч, а отработанными координатами точки с учетом ошибки управления по положению -действительные координаты Вд местонахождения глайдера. Исходными данными определения желаемых координат являются координаты точек начала и конца локальной траектории (точки А1), действительные координаты предыдущей точки Вд и параметры глайдера (заданная глубина погружения, остаточная плавучесть и угол дифферента), а соответственно участок, который глайдер может пройти за одно «заныривание». В реальных условиях выполнения миссии в открытом море действительные точки Вд (Вд,х; Вду; 0) будут находиться на некотором расстоянии от отрезка [А1; А1+1]. Определение ошибки по положению предлагается производить из тех условий, что рассогласование по положению физически представляет собой кратчайшее расстояние от действительного положения глайдера до точки, находящейся на желаемой траектории движения. На рис. 2а и 2б таковой точкой является точка С](Сд; С]), определенная таким образом, что отрезок [В] С] находится перпендикулярно отрезку [А1; А1+1] и физически является ошибкой по положению. Составляющие ошибки и ^ возможно определить по следующим формулам аналитической геометрии:

С]х В]х;

^я = С]у - В]у;

[В];С]]2 = +ая.

(-ПГ->!

1г

б

Рис. 2. Траектории движения глайдера: а - глобальная траектория движения; б - локальная траектория движения

В случаях значительного сноса аппарата течениями, при которых величина ошибки превышает значение продольного перемещения глайдера за цикл погружения-всплытия необходима дополнительная коррекция координат следующей желаемой точки локальной траектории движения. Иллюстрация указанного случая приведена на рис. 2б. Здесь показано, что из координат погружения в точке BJ аппарат всплыл в точке В|+1. При этом результирующая ошибка [В| С| получилась больше максимального продольного перемещения аппарата г.

Следовательно, для обеспечения попадания аппаратом в точку В|+2, принадлежащую отрезку [А1; А1+1] необходимо сделать более одного цикла «заныривания». При этом возможно два варианта перемещения из точки BJ в точку В|+2:

1. Bj ^ В_^1 ^ В_^2.

2. В_| ^ В^ ^ В_|+2.

Указанные ошибки по положению глайдера при попадании в зоны значительных течений могут доходить до сотен и тысяч метров.

Из представленных вариантов достижения цели управления при выборе в качестве основного критерия оптимизации минимизации ошибки, наименее подходящим является вариант № 2 т.к. в точке В^+1 ошибка по положению намного больше, чем для первого варианта, при равенстве планируемых траекторий вариантов 1 и 2. Оптимизируя траекторию по энергозатратам более оптимальной является вариант № 2 т.к. здесь поворот аппарата по курсу происходит на значительно меньший угол а , а следовательно расходуется меньше энергии.

При периодическом движении глайдера считают, что его движения условно пилообразные: по наклонной траектории вниз до заданной глубины и далее также по наклонной траектории вверх к поверхности. Периодичность всплытий и погружений зависит от глубины погружения аппарата и при значительных глубинах (например, 1000 м) период синусоиды составляет несколько часов, в расстояние между всплытиями нередко исчисляется километрами (в отдельных случаях более 6 км). На рис. 3 приведены примеры периодических движений подводного планёра.

Начальным положением глайдера считают его горизонтальное положение (нулевой дифферент) при максимальной положительной плавучести. В этом положение для некоторых моделей происходит спутниковый сеанс связи. Полный цикл движения ПА можно разделить на следующие этапы, представленные на рис. 3.

1. Глайдер покоится при нулевом дифференте и положительной плавучести. В это время для некоторых моделей глайдеров возможна связь со спутником. Расчет управляющих воздействий на основе обработки данных о текущем местоположении глайдера и конечной точкой траектории последующего цикла.

2. Наклон ПА в положение дифферента на нос.

3. Задание ПА отрицательной плавучести.

4. Скольжение глайдера по наклонной траектории вниз.

5. Достижение глайдером заданной глубины погружения и изменение угла дифферента в нулевое положение.

6. Доведение величины плавучести ПА до нейтрального состояния.

7. Изменение угла наклона дифферента на корму.

8. Задание ПА положительной плавучести.

9. Скольжение глайдера по наклонной траектории вверх.

10. При достижении уровня поверхности воды изменение угла дифферента на нулевой, уточнение координат местоположения.

2, 3 9

5, 6

Рис. 3. Периодические движения подводного глайдера

Общие замечания по формированию алгоритма управления на рассматриваемой траектории периодического движения будут следующие:

1. Конечная точка предыдущего цикла условной синусоиды движения аппарата и первая точка следующего цикла В] не всегда совпадают. При сеансе спутниковой связи, которое занимает некоторое время, глайдер из конечной точки предыдущего цикла может дрейфовать (из-за течения, волнения или ветра) в новую точку, которая будет

определена как начальная точка следующего цикла. В связи с тем, что сеанс спутниковой связи происходит непродолжительное время, то дрейфом аппарат пренебречь, в случаях значительных временных задержек аппаратом на поверхности воды необходимо повторное уточнение координат начала новой траектории. Координаты указанных первой и последней точек траектории всегда определяют с помощью системы вР8/ГЛОНАСС.

2. Возможна ошибка по определению действительного положения аппарата, величина которой находится в пределах точности позиционирования применяемого устройства определения местоположения. Однако величина ее несущественна и указанной ошибкой целесообразно пренебречь.

3. Разница между фактическим местоположением аппарата в конечной точке траектории и желаемой точкой траектории цикла могут существенно отличаться (ошибка может составлять сотни метров).

4. Каждая начальная и конечная точка периодической траектории является действительной точкой локальной траектории движения глайдера.

5. Достижение заданной глубины путем скольжения по наклонной траектории вниз необходимо проводить с некоторым запасом. Это необходимо в связи с тем, что аппарат не в состоянии мгновенно переключить свою плавучесть с отрицательной на нейтральную. Поэтому обеспечение заданной глубины погружения далее обеспечивают за счет движения под действием силы отрицательной плавучести ПА до заданного уровня (при нулевом дифференте).

6. Регулирование максимальной глубины погружения обязательно производить без перерегулирования.

7. Для каждой управляемой величины глайдера (дифферент, плавучесть и пр.) необходимо предусмотреть отдельные контуры управления.

8. В связи с тем, что глайдеры являются тихоходными устройствами, не рассчитанные на быстрые перемещения, то стоит производить управление по каждой величине раздельно и последовательно. С целью исключить динамические взаимовлияния между частями аппарата.

9. Траектория скольжения глайдера и угол его дифферента не совпадают из-за чего между продольной осью аппарат и направлением скольжения образуется некоторый угол атаки.

Обобщая предложенные замечания и рекомендации по управлению глайдером на периодической траектории возможно составить алгоритм

управления движением аппарата. Алгоритм относится к решению кинематической задачи управления и не рассматривает внутреннюю структуру применяемых уравнений динамики и особенности применяемых для стабилизации параметров регуляторов и двигателей.

Список литературы:

1. Быканова А.Ю. Анализ движения подводного планера // 61-я Между-нар. молодежн. научно-техн. конф. Молодежь. Наука. Инновации. 20-21 ноября 2013 г. - Владивосток, 2013. - С. 336-339.

2. Analysis of Autonomous Underwater Glider Formation with Environmental Uncertainties / Dongyang Xue, ZhiliangWu, ShuxinWang // Procedia IUTAM 13 (2015), р. 108-117.

3. А hybrid-driven underwater glider model, hydrodynamics estimation, and an analysis of the motion control / Khalid Isa, M.R. Arshad, Syafizal Ishak A // Ocean Engineering № 81 (214), р. 111-129.

ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА И ТРАНСПОРТНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА КАК ГЛАВНОЕ ЗВЕНО ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ

© Даглдиян В.А.1

ФГБОУ ВО Ростовского государственного университета путей сообщения,

г. Ростов-на-Дону

Объектом разработки является транспорт и транспортная инфраструктура.

Цель работы - исследования транспорта и транспортной инфраструктуры, как звена производственной системы ООО «Клюзер»

В процессе работы было рассмотрено и проанализировано:

Транспорт - очень разнообразная отрасль. Все его виды, выполняя главную функцию - обеспечения хозяйственного комплекса страны в грузовых и пассажирских перевозках, вступают между собой и большинством сфер производства во взаимодействие. Это даёт основание рассматривать транспорт как систему, а весь механизм формирования.

Транспортная инфраструктура является ключевым элементом логистической инфраструктуры предприятия и включает такие элементы

1 Магистр кафедры «Логистика и управление транспортными системами».