RU2794555C1

RU2794555C1 - Method for positioning a self-propelled unmanned underwater vehicle that monitors the underwater area

Info

Publication number: RU2794555C1
Application number: RU2022130886A
Authority: RU
Inventors: Иван Андреевич Путинцев; Алина Валерьевна Гессен
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Подводные дроны", ООО "Подводные дроны"
Filing date: 2022-11-26
Publication date: 2023-04-21

Abstract

FIELD: unmanned vehicles.

SUBSTANCE: invention relates to a method for positioning a self-propelled unmanned underwater vehicle (SUUV) that monitors an underwater area. For positioning SUUV, a group of self-propelled autonomous unmanned surface vehicles (SAUSV) is formed from at least three SAUSV operating in coordination via onboard radio communication, a route task is entered into the on-board control systems of each SAUSV, a route task is entered, the SAUSV group is placed in the monitoring zone, and the execution of commands of the route task of the corresponding SAUSV is started on each SAUSV, the current coordinates of the SAUSV are calculated in a certain way, using the reception and transmission of hydroacoustic signals, and the current coordinates of the SAUSV, using satellite navigation signals, the coordinates of the vertices of a regular polygon on the water surface are calculated from the condition of ensuring the equidistance of all SAUSV from the SUUV within the range of the equipment receiving and/or transmitting a hydroacoustic signal, the current vector of the horizontal movement of the SUUV is calculated, a command to move to a certain point with the calculated coordinates is included in the route task of each SAUSV, this command is executed repeatedly, calculating the coordinates in real time.

EFFECT: improved positioning accuracy of SUUV in real time.

2 cl

Description

Изобретение относится к области морской техники, а именно к способам определения координат подводных аппаратов, выполняющих задачи по обследованию подводных акваторий или подводных коммуникаций. Способ может быть использован в том числе при непрерывном или периодическом мониторинге технического состояния объектов подводной инфраструктуры (подводных трубопроводов, кабелей связи и др.)The invention relates to the field of marine engineering, and in particular to methods for determining the coordinates of underwater vehicles performing tasks of surveying underwater areas or underwater communications. The method can also be used for continuous or periodic monitoring of the technical condition of underwater infrastructure facilities (submarine pipelines, communication cables, etc.)

Из уровня техники известен «Способ навигационного оборудования морского района» по патенту №RU 2709058 (опубл. 13.12.2019), при котором сначала рассчитывают количество гидроакустических буев-маяков, необходимых для навигационного оборудования заданного морского района и определяют точки их установки. Далее, согласно способу, готовят на базе гидроакустические буи-маяки к установке, проверяют их работоспособность и загружают на плавсредство, на котором доставляют буи-маяки в заданный морской район и в расчетных точках сбрасывают в воду, где после приводнения переводят в рабочее положение. В соответствии с данным способом применяют дрейфующие буи, которые на поверхности воды получают от спутниковой системы навигации географические координаты буя и по запросу надводных или подводных плавсредств передают их по радио или звукоподводной связи. Отличительным признаком указанного способа является использование мобильных буев-маяков, выполненных на базе автономных необитаемых подводных аппаратов с введенным в их бортовую систему управления маршрутным заданием. Согласно своему маршрутному заданию, мобильные буи-маяки действуют в группе согласованно и осуществляют движение до района развертывания. Недостатком данного способа при его применении для позиционирования отдельного самоходного необитаемого подводного аппарата (СНПА), перемещающегося по своему заданному маршруту, является стационарность буев-маяков после развертывания в заданном районе. В случае значительной протяженности маршрута СНПА возникает опасность его выхода из зоны действия гидроакустической связи с буями. Кроме того, установка антенны и приемника спутниковой системы навигации на поплавке, связанном с подводным аппаратом-носителем посредством соединяющего кабеля, снижает точность позиционирования ввиду неконтролируемого вращения поплавка на кабеле.Known from the prior art is the “Method for navigation equipment of a sea area” according to patent No. RU 2709058 (published on December 13, 2019), in which the number of sonar buoys required for navigation equipment of a given sea area is first calculated and their installation points are determined. Further, according to the method, hydroacoustic buoys-beacons are prepared on the basis for installation, their performance is checked and loaded onto a floating craft, on which the buoys-beacons are delivered to a given sea area and are dropped into the water at the calculated points, where after splashdown they are transferred to the working position. In accordance with this method, drifting buoys are used, which, on the surface of the water, receive the geographic coordinates of the buoy from a satellite navigation system and, at the request of surface or underwater watercraft, transmit them by radio or sound underwater communication. A distinctive feature of this method is the use of mobile buoys-beacons made on the basis of autonomous uninhabited underwater vehicles with a route task entered into their on-board control system. According to their route assignment, mobile buoys-beacons act in a group in a coordinated manner and move to the deployment area. The disadvantage of this method when used for positioning a separate self-propelled uninhabited underwater vehicle (SNUA) moving along its specified route is the stationarity of the buoys-beacons after deployment in a given area. In the case of a significant length of the SNUA route, there is a danger of its exit from the coverage area of the hydroacoustic communication with the buoys. In addition, mounting the antenna and receiver of the satellite navigation system on a float connected to the submersible carrier via a connecting cable reduces positioning accuracy due to uncontrolled rotation of the float on the cable.

Наиболее близким к предложенному способу среди технических решений для определения местоположения отдельного автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), выполняющего непрерывный или периодический мониторинг подводной акватории большой площади, является «Способ навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), выполняющего мониторинг подводного добычного комплекса» по патенту №RU2756668 (опубл. 04.10.2021). Согласно данному способу в районе работ расставляют сеть опорных стационарных маяков с известными координатами, оснащенных высокочастотными малой дальности действия и низкочастотными большой дальности действия гидроакустическими приемо-передающими средствами информационного обмена с АНПА, и соединяют маяки линиями связи с удаленным пунктом управления. При этом рабочую частоту низкочастотного оборудования выбирают из условия обеспечения дальности равной размеру района мониторинга. Недостатком указанного способа является стационарное размещение опорных маяков на инспектируемых объектах подводной инфраструктуры, что значительно усложняет применение способа для инспектирования объектов существенной протяженности (например трубопроводов или кабелей связи).The closest to the proposed method among technical solutions for determining the location of a separate autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV), performing continuous or periodic monitoring of a large underwater area, is the "Method for navigation and information support of an autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV), performing monitoring of an underwater production complex »according to patent No. RU2756668 (published on 04.10.2021). According to this method, a network of reference stationary beacons with known coordinates, equipped with short-range high-frequency and long-range low-frequency hydroacoustic transceivers for information exchange with AUVs, is placed in the work area, and the beacons are connected by communication lines to a remote control point. In this case, the operating frequency of the low-frequency equipment is selected from the condition of providing a range equal to the size of the monitoring area. The disadvantage of this method is the stationary placement of reference beacons on the inspected objects of underwater infrastructure, which greatly complicates the application of the method for inspecting objects of considerable length (for example, pipelines or communication cables).

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа работы мобильной системы позиционирования отдельного СНПА, выполняющего мониторинг подводной акватории большой протяженности.The objective of the invention is to create a method for the operation of a mobile positioning system for a separate SNUA that monitors a long underwater area.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности позиционирования самоходного необитаемого подводного аппарата в режиме реального времени.The technical result of the proposed method is to improve the positioning accuracy of a self-propelled uninhabited underwater vehicle in real time.

Для достижения указанного результата согласно способу позиционирования самоходного необитаемого подводного аппарата (СНПА), выполняющего мониторинг подводной акватории, сначала формируют группу самоходных автономных необитаемых надводных аппаратов (САННА) из по меньшей мере трех САН НА, каждый из которых снабжен аппаратурой приема и/или передачи гидроакустического сигнала, аппаратурой спутниковой навигации и аппаратурой радиосвязи. Далее в бортовые системы управления каждого САННА вводят маршрутное задание. Затем размещают группу САННА в зоне мониторинга и на каждом САННА запускают выполнение команд упомянутого маршрутного задания. При этом САННА группы в процессе выполнения маршрутного задания действуют между собой согласованно посредством бортовой аппаратуры радиосвязи. В бортовую систему управления каждого САННА вводят его уникальный идентификатор в группе. По рассчитанным с применением аппаратуры приема и/или передачи гидроакустического сигнала текущим координатам СНПА и рассчитанным с применением аппаратуры спутниковой навигации текущим координатам САННА группы вычисляют координаты вершин правильного многоугольника на поверхности воды из условия обеспечения равноудаленности всех САННА от СНПА в пределах радиуса действия аппаратуры приема и/или передачи гидроакустического сигнала. Вычисляют текущий вектор горизонтального перемещения СНПА, а в упомянутое маршрутное задание включают команду на передвижение надводного аппарата группы в точку с координатами, вычисленными смещением отвечающей его идентификатору вершины правильного многоугольника на текущий вектор горизонтального перемещения СНПА. Выполняют упомянутую команду на каждом САННА многократно, вычисляя текущие координаты СНПА и текущие координаты САННА группы в режиме реального времени. Кроме того, вычисляют упомянутые координаты вершин правильного многоугольника, обеспечивая условие параллельности одной из его биссектрис текущему вектору горизонтального перемещения СНПА и размещая соответствующую биссектрисе вершину многоугольника в направлении текущего вектора горизонтального перемещения СНПА.To achieve this result, according to the method of positioning a self-propelled uninhabited underwater vehicle (SNUA) that monitors the underwater area, first a group of self-propelled autonomous surface vehicles (SANNA) is formed from at least three SUNNS, each of which is equipped with equipment for receiving and / or transmitting hydroacoustic signal, satellite navigation equipment and radio communication equipment. Further, the route task is entered into the onboard control systems of each SANNA. Then the SANNA group is placed in the monitoring area and on each SANNA the execution of the commands of the mentioned route task is started. At the same time, SANNA groups in the process of performing a route task act in concert with each other by means of on-board radio communication equipment. Each SANNA's on-board control system is entered with its unique identifier in the group. According to the current coordinates of the SNUA calculated using the equipment for receiving and / or transmitting a hydroacoustic signal and the current coordinates of the SANNA calculated using the satellite navigation equipment, the groups calculate the coordinates of the vertices of a regular polygon on the water surface from the condition of ensuring the equidistance of all SANNA from the SNUA within the range of the receiving equipment and / or transmission of a hydroacoustic signal. The current vector of horizontal movement of the SNUA is calculated, and the command to move the surface vehicle of the group to the point with coordinates calculated by the offset of the vertex of the regular polygon corresponding to its identifier to the current vector of the horizontal displacement of the SNUA is included in the said route task. Execute the above command on each SANNA repeatedly, calculating the current SNPA coordinates and the current SANNA group coordinates in real time. In addition, the mentioned coordinates of the regular polygon vertices are calculated, providing the condition of parallelism of one of its bisectors to the current SNLA horizontal displacement vector and placing the polygon vertex corresponding to the bisector in the direction of the current SNLA horizontal displacement vector.

Указанный технический результат достигается за счет того, что сеть гидроакустических маяков формируют в виде группы самоходных автономных необитаемых надводных аппаратов, что позволяет управляемо посредством команд введенного в их бортовые системы управления маршрутного задания перемещать их в пространстве в заданные точки. Кроме того, сочетание признаков «вычисляют координаты вершин правильного многоугольника на поверхности воды по рассчитанным... текущим координатам СНПА и рассчитанным... текущим координатам САННА из условия обеспечения равноудаленности всех САННА от СНПА в пределах радиуса действия аппаратуры приема и/или передачи гидроакустического сигнала», «в упомянутое маршрутное задание включают команду на передвижение надводного аппарата группы в точку с координатами, вычисленными смещением отвечающей его идентификатору вершины правильного многоугольника на текущий вектор горизонтального перемещения СНПА» и «выполняют упомянутые команды на каждом САННА многократно, вычисляя координаты вершин упомянутого правильного многоугольника в режиме реального времени» обеспечивают сохранение вслед за перемещением СНПА такого взаимного расположение подводного аппарата и сети маяков, при котором достигается максимальная точность вычисления его пространственных координат в каждый момент времени, а именно - в вершинах перевернутой правильной пирамиды. При этом присвоение идентификатора каждому САННА исключает перемещение надводных аппаратов в многоугольнике между вершинами.The specified technical result is achieved due to the fact that the network of hydroacoustic beacons is formed in the form of a group of self-propelled autonomous uninhabited surface vehicles, which allows them to be controlled by commands of the route task entered into their onboard control systems to move them in space to specified points. In addition, the combination of features “calculate the coordinates of the vertices of a regular polygon on the water surface according to the calculated ... current coordinates of the SNUA and the calculated ... current coordinates of the SANNA from the condition of ensuring the equidistance of all SANNA from the SNUA within the range of the equipment for receiving and / or transmitting a hydroacoustic signal ”, “the said route task includes a command to move the surface vehicle of the group to a point with coordinates calculated by the displacement of the vertex of the regular polygon corresponding to its identifier by the current horizontal movement vector of the SNUA” and “execute the mentioned commands on each SANNA repeatedly, calculating the coordinates of the vertices of the mentioned regular polygon in real time” ensure that, after the movement of the SNUA, such a relative position of the underwater vehicle and the network of beacons is preserved, which achieves the maximum accuracy of calculating its spatial coordinates at each moment of time, namely, at the vertices of an inverted regular pyramid. At the same time, assigning an identifier to each SANNA excludes the movement of surface vehicles in the polygon between the vertices.

Способ осуществляется следующим образом. Сначала на берегу или на борту судна сопровождения формируют группу САННА введением в бортовую систему управления каждого из надводных аппаратов маршрутного задания и значения идентификатора САННА в группе (например, его порядкового номера). Далее САННА группы и СНПА размещают в стартовой зоне водной акватории, куда они могут быть доставлены, например, на судне сопровождения или любым иным способом. На СНПА и САННА запускают выполнение маршрутных заданий, например посредством расположенных на корпусе кнопок или посредством канала радиосвязи для САННА и канала гидроакустической связи или телеуправления для СНПА. Все аппараты начинают выполнение команд своих маршрутных заданий. В текущий момент времени САННА группы определяют свои пространственные координаты в соответствии с текущими показаниям аппаратуры спутниковой навигации и производят обмен по радиосвязи полученными значениями в группе. Одновременно, используя аппаратуру приема и/или передачи гидроакустического сигнала (ГС), САННА обмениваются ГС с СНПА для определения его пространственных координат. По вычисленным координатам всех аппаратов в соответствии с заявленным способом вычисляют пространственные координаты равноудаленных от СНПА и в пределах радиуса действия ГС точек, образующих правильный многоугольник на поверхности воды, и однозначно сопоставляют им упомянутые идентификаторы. В группе САННА производят обмен по радиосвязи полученными парами значений координат вершин многоугольника и идентификаторов. По текущим и известным с предыдущих моментов времени координатам СНПА вычисляют текущее значение вектора его горизонтального перемещения. И далее каждый САННА группы осуществляет движение в точку, координаты которой вычисляют смещением координат соответствующей его идентификатору вершины многоугольника на текущий вектор горизонтального перемещения СНПА. При этом вычисление текущих координат СНПА и текущих координат САННА группы производят в режиме реального времени вслед за движением СНПА по своему маршруту.The method is carried out as follows. First, on the shore or on board the escort vessel, a SANNA group is formed by introducing into the onboard control system of each of the surface vehicles of the route task and the value of the SANNA identifier in the group (for example, its serial number). Further, SANNA groups and SNPA are placed in the starting zone of the water area, where they can be delivered, for example, on an escort vessel or in any other way. On SNPA and SANNA, the execution of route tasks is started, for example, by means of buttons located on the body or through a radio channel for SANNA and a hydroacoustic communication channel or telecontrol for SNPA. All devices start executing the commands of their route tasks. At the current moment in time, SANNA groups determine their spatial coordinates in accordance with the current indications of satellite navigation equipment and exchange the received values in the group via radio communication. At the same time, using the equipment for receiving and / or transmitting a hydroacoustic signal (HS), SANNA exchange HS with SNPA to determine its spatial coordinates. According to the calculated coordinates of all devices, in accordance with the claimed method, the spatial coordinates of points equidistant from the SNLA and within the range of the HS action, forming a regular polygon on the surface of the water, are calculated and the mentioned identifiers are unambiguously compared to them. In the SANNA group, the received pairs of values of the coordinates of the polygon vertices and identifiers are exchanged by radio. The current value of the vector of its horizontal displacement is calculated from the current and known from the previous moments of time coordinates of the SNPA. And then each SANNA of the group moves to a point, the coordinates of which are calculated by shifting the coordinates of the polygon vertex corresponding to its identifier by the current horizontal movement vector of the SNPA. At the same time, the calculation of the current coordinates of the SNUA and the current coordinates of the SANNA group is carried out in real time following the movement of the SNUA along its route.

С целью максимизации точности позиционирования подводного аппарата была дополнительно решена задача наилучшего пространственного расположения вершин правильного многоугольника относительно траектории перемещения подводного аппарата. Наибольшая точность достигается, когда проекция подводного аппарата на плоскость правильного многоугольника расположена точно в его центре. Однако, вычисление координат вершин многоугольника и передвижение к ним надводных аппаратов выполняется с запаздыванием по отношению к собственному перемещению подводного аппарата, что приводит к смещению последнего относительно правильного многоугольника. Для уменьшения влияния такого смещения на точность позиционирования предложено ориентировать многоугольник в горизонтальной плоскости, обеспечивая смещение подводного аппарата относительно правильного многоугольника по одной из его биссектрис и в направлении вершины соответствующего биссектрисе угла. В этом случае достигается попарная равноудаленность от вершин многоугольника.In order to maximize the positioning accuracy of the underwater vehicle, the problem of the best spatial arrangement of the vertices of a regular polygon relative to the trajectory of the underwater vehicle was additionally solved. The greatest accuracy is achieved when the projection of the underwater vehicle onto the plane of a regular polygon is located exactly in its center. However, the calculation of the coordinates of the vertices of the polygon and the movement of surface vehicles to them is carried out with a delay in relation to the proper movement of the underwater vehicle, which leads to a displacement of the latter relative to the regular polygon. To reduce the effect of such a shift on the positioning accuracy, it is proposed to orient the polygon in the horizontal plane, ensuring the displacement of the underwater vehicle relative to the regular polygon along one of its bisectors and in the direction of the vertex of the angle corresponding to the bisector. In this case, pairwise equidistance from the vertices of the polygon is achieved.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет за счет оптимизации в режиме реального времени взаимного расположения в пространстве сети маяков и подводного аппарата максимизировать точность позиционирования, что в свою очередь увеличивает автономность системы, уменьшает ее массогабаритные характеристики и, как следствие, повышает экономический эффект от ее применения.Thus, the proposed technical solution allows, by optimizing in real time the relative position in space of the network of beacons and the underwater vehicle, to maximize positioning accuracy, which in turn increases the autonomy of the system, reduces its weight and size characteristics and, as a result, increases the economic effect of its use. .

Claims

1. A method for positioning a self-propelled uninhabited underwater vehicle (SNUA) that monitors an underwater area, in which a group of self-propelled autonomous uninhabited surface vehicles (SANNA) is first formed from at least three SANNA, each of which is equipped with equipment for receiving and / or transmitting a hydroacoustic signal, satellite navigation equipment and radio communication equipment, then a route task is entered into the on-board control systems of each SANNA, then the SANNA group is placed in the monitoring zone, and on each SANNA the execution of commands of the mentioned route task is started, characterized in that

- SANNA groups in the process of performing the route task act in concert with each other by means of on-board radio communication equipment;

- in the onboard control system of each SANNA enter its unique identifier in the group;

- according to the current coordinates of the SNUA calculated using the equipment for receiving and / or transmitting a hydroacoustic signal and the current coordinates of the SANNA group calculated using the satellite navigation equipment, the coordinates of the vertices of a regular polygon on the water surface are calculated from the condition of ensuring the equidistance of all SANNA from the SNUA within the range of the receiving equipment and /or transmission of a hydroacoustic signal;

- calculate the current vector of horizontal movement of the SNPA;

- in the said route task, a command is included to move the surface vehicle of the group to a point with coordinates calculated by the offset of the vertex of the regular polygon corresponding to its identifier to the current horizontal movement vector of the SNLA;

- executing said command on each SANNA multiple times, calculating said current SNPA coordinates and the group's current SANNA coordinates in real time.

2. A method for positioning a self-propelled uninhabited underwater vehicle according to claim 1, characterized in that the above-mentioned coordinates of the vertices of a regular polygon are calculated, providing the condition of parallelism of one of its bisectors to the current vector of the horizontal movement of the SNUA and placing the vertex of the polygon corresponding to the bisector in the direction of the current vector of the horizontal displacement of the SNUA.