RU2814354C1

RU2814354C1 - Method for stabilizing autonomous unmanned underwater vehicle in hovering mode when performing contact operations with underwater objects by installed on it multi-link manipulator

Info

Publication number: RU2814354C1
Application number: RU2023119015A
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Коноплин; Никита Андреевич Красавин; Роман Павлович Василенко
Filing date: 2023-07-19
Publication date: 2024-02-28

Abstract

FIELD: robotics.

SUBSTANCE: invention relates to robotics and can be used for stabilization of autonomous underwater vehicle (AUV) during performance of contact operations with underwater objects installed on it. Method includes automatic generation of control signals, which are supplied to inputs of corresponding propellers AUV, including additional propulsor, which is installed above centre of displacement of AUV on rotary platform, which changes direction of thrust vector of this propulsor. Also, control signals of the rotary platform engine are generated automatically, which sets the spatial orientation of the thrust vector of the additional propulsion unit. Said control signals are generated on the basis of values and directions of force and moment vectors, which are calculated in real time, acting on AUV from the side of the multi-link manipulator performing contact power operation with the object of work. By means of thrusts created by AUV propellers, force and moment effects on AUV from the side of the operating manipulator are compensated and stabilization of AUV is provided in the hovering mode.

EFFECT: use of the invention increases accuracy of AUV stabilization in hovering mode when performing power manipulation operations.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматического управления динамическими объектами.The invention relates to the field of automatic control of dynamic objects.

Известен способ стабилизации подводного аппарата (ПА) по разомкнутому контуру в режиме его зависания вблизи или над объектом работ в процессе работы установленного на нем манипулятора, включающий подачу на входы двигателей всех степеней подвижности манипулятора сигналов, определяемых желаемой программной траекторией движения его рабочего инструмента в пространстве и формируемых на основе аналитических соотношений, полученных после решения обратной задачи кинематики для конкретной кинематической схемы манипулятора, а на входы соответствующих движителей ПА - сигналов, компенсирующих силовые и моментные воздействия на этот аппарат со стороны манипулятора, произвольно перемещающегося в вязкой среде, причем сигналы управления движителями ПА формируются в реальном масштабе времени на основе аналитических выражений, определяющих силу и момент, с которыми этот манипулятор действует на ПА, учитывающих все эффекты взаимовлияния между всеми степенями подвижности манипулятора, а также гидростатические и гидродинамические силы сопротивления его движению, включая вязкие трения и присоединенные массы окружающей жидкости, отличающийся тем, что на борту ПА дополнительно устанавливают гироскопические датчики и навигационную систему, определяющие линейное и угловое смещения этого аппарата от его исходного положения, а на два движителя каждой из трех пар движителей ПА, обеспечивающих ему шесть необходимых степеней подвижности, одновременно подаются сигналы управления, пропорциональные линейному смещению ПА параллельно продольным осям движителей этой пары, а также угловому смещению ПА относительно оси, перпендикулярной плоскости, образуемой продольными осями этой пары движителей, которые обеспечивают формирование движителями ПА упоров, стабилизирующих ПА в заданной точке пространства. [Филаретов В.Ф., Коноплин А.Ю. Способ стабилизации подводного аппарата в режиме зависания // RU 2547039 C1, 10.04.2015].There is a known method for stabilizing an underwater vehicle (UV) along an open loop in the mode of its hovering near or above the object of work during the operation of the manipulator installed on it, including supplying signals to the inputs of the motors of all degrees of mobility of the manipulator, determined by the desired programmed trajectory of movement of its working tool in space and formed on the basis of analytical relationships obtained after solving the inverse kinematics problem for a specific kinematic diagram of the manipulator, and to the inputs of the corresponding PA propulsors - signals that compensate for the force and torque effects on this apparatus from the side of the manipulator, arbitrarily moving in a viscous medium, and the PA propulsion control signals are formed in real time on the basis of analytical expressions that determine the force and moment with which this manipulator acts on the PA, taking into account all the effects of mutual influence between all degrees of mobility of the manipulator, as well as hydrostatic and hydrodynamic forces of resistance to its movement, including viscous friction and added masses of the surrounding liquid, characterized in that gyroscopic sensors and a navigation system are additionally installed on board the UAV, which determine the linear and angular displacement of this device from its initial position, and signals are simultaneously sent to the two propulsors of each of the three pairs of UAV propulsors, providing it with the six necessary degrees of mobility controls proportional to the linear displacement of the PA parallel to the longitudinal axes of the propulsors of this pair, as well as the angular displacement of the PA relative to the axis perpendicular to the plane formed by the longitudinal axes of this pair of propulsors, which ensure that the PA propulsors form stops that stabilize the PA at a given point in space. [Filaretov V.F., Konoplin A.Yu. Method for stabilizing an underwater vehicle in hovering mode // RU 2547039 C1, 04/10/2015].

Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет обеспечить стабилизацию ПА при выполнении контактных манипуляционных операций, поскольку не идентифицирует и не компенсирует силовые и моментные воздействия, вызванные контактом рабочего инструмента манипулятора с поверхностью объекта работ. Также этот способ не позволяет стабилизировать в режиме зависания ПА, схемы компоновки движителей которых отличаются от приведенной в вышеуказанном способе.The disadvantage of this method is that it does not allow stabilization of the PA when performing contact manipulation operations, since it does not identify and compensate for the force and torque effects caused by the contact of the working tool of the manipulator with the surface of the work object. Also, this method does not allow stabilizing in hovering mode UAVs whose propulsion layouts differ from those given in the above method.

Известен способ позиционно-силового управления автономным необитаемым подводным аппаратом (АНПА) с многостепенным манипулятором в режиме его зависания и предварительной стабилизации перед началом выполнения силовых операций с объектом работ, которые осуществляют в дальнейшем, учитывая линейные смещения АНПА в пространстве, определяемые системой технического зрения, и его угловые смещения, определяемые бортовыми гироскопическими датчиками, заключающийся в задании переменных желаемых величин и направлений силовых воздействий, оказываемых рабочим инструментом манипулятора с тремя переносными и тремя ориентирующими степенями подвижности, основание которого закреплено под центром величины АНПА, на объект работ в каждой точке траектории движения его рабочего инструмента, которую формируют с помощью 3D-модели этого объекта работ, при этом на входы соответствующих движителей АНПА подают сигналы управления, уменьшающие его отклонения от исходного положения при перемещениях манипулятора в вязкой среде, отличающийся тем, что внешний корпус АНПА выполняют симметричным относительно его главной вертикальной оси в виде эллипсоида, сплющенного вдоль этой оси, причем проекция этого корпуса на плоскость, проходящую через две другие главные оси симметрии, имеет форму круга, а шесть движителей АНПА закрепляют попарно на его главных осях симметрии на одинаковом расстоянии относительно его центра величины так, чтобы оси их тяг попарно всегда были перпендикулярны осям тяг остальных пар движителей и обеспечивали АНПА шесть степеней свободы, до начала любых рабочих операций во время тестовых движений манипулятора с неподвижно зафиксированным в пространстве корпусом АНПА с помощью фильтра Калмана осуществляют идентификацию масс и моментов инерции окружающей жидкости, присоединяемых к двум главным звеньям переносных степеней подвижности манипулятора, после подхода АНПА и его стабилизации вблизи объекта работ, выявив с помощью системы технического зрения и трех маркеров текущие пространственные расположения АНПА и начальной точки сформированной траектории, переводят рабочий инструмент манипулятора из исходного положения в начальную точку траектории до контакта с объектом, затем формируют желаемые значения входных сигналов на соответствующие движители АНПА и приводы манипулятора, что обеспечивает плавное нарастание от нуля и до конечного значения программного силового и моментного воздействий со стороны рабочего инструмента на объект работ в начале траектории, при этом сохраняют неизменной исходную текущую конфигурацию манипулятора, одновременно обеспечивая более точную стабилизацию положения и ориентации АНПА в абсолютной системе координат за счет компенсации его движителями плавно нарастающих силовых и моментных воздействий со стороны манипулятора, реально возникающие неточности указанной программной компенсации ликвидируют с помощью типовой системы стабилизации, использующей информацию, получаемую от системы технического зрения, и отрицательные обратные связи по всем степеням свободы АНПА, применяя эту систему, создают дополнительные сигналы управления соответствующими движителями, которые удерживают АНПА в его исходной точке пространства с исходной ориентацией, после формирования исходного вектора силового воздействия со стороны рабочего инструмента манипулятора на объект работ формируют новую величину и направление этого вектора, который уже учитывает дополнительные составляющие сухого трения и сопротивления движению рабочего инструмента в начале построенной траектории, указанный вектор также формируют с помощью движителей АНПА путем подачи плавно и синхронно изменяющихся входных сигналов на соответствующие движители и приводы манипулятора, после построения упомянутого вектора в зависимости от выполняемой программы задают скорость перемещения рабочего инструмента манипулятора по ранее сформированной траектории и начинают это перемещение, подавая на входы позиционно-силовых систем управления приводами манипулятора соответствующие сигналы, в состав которых входят программные и фактические значения обобщенных координат манипулятора, их скоростей и ускорений, а также программные и фактические значения внешних моментов, обусловленные только силовым взаимодействием рабочего инструмента манипулятора с поверхностью объекта работ, причем фактические значения указанных внешних моментов определяют с помощью диагностических наблюдателей суммарных значений обобщенных внешних моментов, из которых вычитают составляющие взаимовлияний с реальными значениями масс и моментов инерции звеньев манипулятора, моменты от действия гидростатических сил, моменты вязкого трения, а также моменты, обусловленные наличием уже идентифицированных присоединенных масс и моментов инерции жидкости, во время движения манипулятора по сформированной траектории с помощью рекуррентного алгоритма определяют силовые и моментные воздействия, которые движущийся в водной среде манипулятор оказывает на АНПА в точке его крепления к последнему, все указанные воздействия на АНПА синхронно и плавно компенсируют его движителями, при этом ввиду неточностей определения некоторых параметров силовых воздействий дополнительно используют упомянутую систему стабилизации положения и ориентации АНПА в абсолютной системе координат, с помощью которой формируют дополнительные сигналы управления его движителями. [Зуев А.В., Филаретов В.Ф., Тимошенко А.А. Способ позиционно-силового управления автономным необитаемым подводным аппаратом с многостепенным манипулятором // RU 2799176, 04.07.2023].There is a known method for positional force control of an autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV) with a multi-degree manipulator in the mode of its hovering and preliminary stabilization before the start of power operations with the work object, which are carried out in the future, taking into account the linear displacements of the AUV in space, determined by the technical vision system, and its angular displacements, determined by on-board gyroscopic sensors, which consists in setting variable desired values and directions of force impacts exerted by the working tool of a manipulator with three portable and three orienting degrees of freedom, the base of which is fixed under the center of the AUV size, on the object of work at each point of its movement trajectory working tool, which is formed using a 3D model of this work object, while control signals are supplied to the inputs of the corresponding AUV propulsors, reducing its deviations from the initial position when the manipulator moves in a viscous medium, characterized in that the outer body of the AUV is made symmetrical relative to its main vertical axis in the form of an ellipsoid, flattened along this axis, and the projection of this body onto a plane passing through the other two main axes of symmetry has the shape of a circle, and six AUV propulsors are fixed in pairs on its main axes of symmetry at the same distance relative to its center of magnitude so, so that the axes of their thrusts in pairs are always perpendicular to the axes of the thrusts of the remaining pairs of propulsors and provide the AUV with six degrees of freedom; before the start of any working operations, during test movements of the manipulator with the AUV body fixed in space, the masses and moments of inertia of the surrounding fluid are identified using a Kalman filter, attached to the two main links of the portable degrees of mobility of the manipulator, after the AUV approaches and is stabilized near the work site, having identified the current spatial locations of the AUV and the starting point of the generated trajectory using a technical vision system and three markers, the working tool of the manipulator is transferred from the initial position to the starting point of the trajectory before contact with the object, then generate the desired values of input signals to the corresponding AUV propulsors and manipulator drives, which ensures a smooth increase from zero to the final value of the program force and torque influences from the working tool on the work object at the beginning of the trajectory, while keeping the initial value unchanged the current configuration of the manipulator, while simultaneously providing more accurate stabilization of the position and orientation of the AUV in the absolute coordinate system due to the compensation by its propulsors of smoothly increasing force and torque influences from the manipulator, the actual inaccuracies of the specified software compensation are eliminated using a standard stabilization system that uses information received from technical vision systems, and negative feedback on all degrees of freedom of the AUV, using this system, create additional control signals for the corresponding propulsors, which hold the AUV at its initial point in space with the initial orientation, after the formation of the initial vector of force action from the working tool of the manipulator on the object works form a new value and direction of this vector, which already takes into account the additional components of dry friction and resistance to movement of the working tool at the beginning of the constructed trajectory, this vector is also formed using the AUV propulsors by supplying smoothly and synchronously changing input signals to the corresponding propulsors and drives of the manipulator, after constructing the mentioned vector, depending on the program being executed, they set the speed of movement of the working tool of the manipulator along a previously formed trajectory and begin this movement by supplying the corresponding signals to the inputs of the position-force control systems of the manipulator drives, which include program and actual values of the generalized coordinates of the manipulator, their speeds and accelerations, as well as program and actual values of external moments, conditioned only by the force interaction of the working tool of the manipulator with the surface of the work object, and the actual values of these external moments are determined using diagnostic observers of the total values of generalized external moments, from which the components of mutual influences with real mass values are subtracted and moments of inertia of the manipulator links, moments from the action of hydrostatic forces, moments of viscous friction, as well as moments due to the presence of already identified attached masses and moments of inertia of the fluid, during the movement of the manipulator along the formed trajectory, using a recurrent algorithm, determine the force and torque impacts that the moving in the aquatic environment, the manipulator exerts on the AUV at the point of its attachment to the latter, all of the indicated impacts on the AUV are synchronously and smoothly compensated by its propellers, and due to the inaccuracies in determining some parameters of the force effects, the mentioned system for stabilizing the position and orientation of the AUV in the absolute coordinate system is additionally used, with with the help of which additional control signals for its propulsors are generated. [Zuev A.V., Filaretov V.F., Timoshenko A.A. Method of positional-force control of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a multi-degree manipulator // RU 2799176, 07/04/2023].

Недостатком указанного способа является то, что его работоспособность, заключающаяся в обеспечении движения рабочего инструмента манипулятора по желаемой траектории с оказанием заданного силового воздействия на поверхность объекта работ, зависит от точности стабилизации АНПА в режиме зависания вблизи этого объекта, также от точности отработки движителями АНПА желаемых значений входных сигналов, формируемых с учетом нарастающих силовых и моментных воздействий со стороны манипулятора. Однако в реальных условиях работы при наличии течений требуемая точность стабилизации АНПА в режиме зависания в заданной точке пространства с заданной ориентацией при работающем манипуляторе практически недостижима. Это обусловлено тем, что АНПА являются очень инерционными динамическими объектами, а их системы технического зрения определяют информацию о линейных смещениях АНПА с неизбежными временными задержками и ограниченной точностью. При этом даже с использованием эффективных систем управления движители АНПА отрабатывают поступающие на их входы сигналы управления с ограниченной точностью, что обусловлено нелинейностью статических характеристик движителей, постоянными времени этих движителей, а также сложными нелинейными зависимостями создаваемой движителем тяги от частоты вращения винта, направления и скорости набегающего потока жидкости. В результате даже незначительные неизбежные смещения АНПА относительно исходного положения в пространстве приведут либо к потере контакта рабочего инструмента манипулятора с поверхностью объекта работ, либо к соударению рабочего инструмента с объектом и сходу этого инструмента с заданной траектории. Кроме того, форма корпуса АНПА в виде эллипсоида, сплющенного относительно вертикальной оси аппарата, в совокупности с расположением манипулятора под центром величины АНПА ограничивает рабочую зону манипулятора только пространством под АНПА, исключая возможность выполнения манипуляционных операций сбоку от аппарата с расположенными вертикально объектами и подводными сооружениями. При этом вышеуказанный способ не позволяет выполнять контактные операции с помощью АНПА, схемы компоновки движителей которых отличаются от приведенной в вышеуказанном способе.The disadvantage of this method is that its performance, which consists in ensuring the movement of the working tool of the manipulator along the desired trajectory with the provision of a given force effect on the surface of the work object, depends on the accuracy of stabilization of the AUV in hovering mode near this object, as well as on the accuracy of the AUV propulsors working out the desired values input signals generated taking into account increasing force and torque influences from the manipulator. However, in real operating conditions in the presence of currents, the required accuracy of stabilization of an AUV in hovering mode at a given point in space with a given orientation with the manipulator operating is practically unattainable. This is due to the fact that AUVs are very inertial dynamic objects, and their technical vision systems determine information about the linear displacements of the AUV with inevitable time delays and limited accuracy. Moreover, even with the use of effective control systems, AUV propulsors process the control signals arriving at their inputs with limited accuracy, which is due to the nonlinearity of the static characteristics of the propulsors, the time constants of these propulsors, as well as the complex nonlinear dependencies of the thrust generated by the propulsion on the rotor speed, direction and speed of the oncoming fluid flow. As a result, even minor inevitable displacements of the AUV relative to the initial position in space will lead either to the loss of contact of the working tool of the manipulator with the surface of the work object, or to the collision of the working tool with the object and the departure of this tool from the given trajectory. In addition, the shape of the AUV body in the form of an ellipsoid, flattened relative to the vertical axis of the vehicle, together with the location of the manipulator under the center of the AUV size, limits the working area of the manipulator only to the space under the AUV, excluding the possibility of performing manipulation operations on the side of the vehicle with vertically located objects and underwater structures. At the same time, the above method does not allow performing contact operations using AUVs whose propulsion layouts differ from those given in the above method.

Известен также способ управления подводным манипулятором в режиме зависания ПА, при реализации которого на борту ПА устанавливают гироскопические датчики и навигационную систему, определяющие линейное и угловое смещения этого аппарата от его исходного положения при работающем манипуляторе, а на следящие приводы всех степеней подвижности манипулятора подают дополнительные сигналы управления, пропорциональные смещению этого ПА от его исходного положения, которые обеспечивают дополнительное перемещение рабочего инструмента манипулятора в пространстве и тем самым продолжение его точного движения по заранее заданной желаемой программной траектории независимо от произвольных смещений ПА, дополнительно вычисляют внешние моменты, действующие на выходные валы приводов во всех степенях подвижности манипулятора в результате силового контакта рабочего инструмента этого манипулятора с поверхностью объекта работ, посредством вычитания из величины результирующего внешнего момента, действующего на выходной вал привода каждой степени подвижности манипулятора и измеряемого датчиком или наблюдателем момента нагрузки соответствующего привода, величины момента, обусловленного эффектами взаимовлияния между всеми степенями подвижности манипулятора, а также гидростатическими и гидродинамическими силами сопротивления его движению, включая вязкие трения и присоединенные массы окружающей жидкости, и вычисляемого с помощью аналитических выражений решения обратной задачи динамики для упомянутого подводного манипулятора, затем для конкретной кинематической схемы манипулятора на основе вычисленных величин внешних моментов, действующих на выходные валы приводов во всех степенях подвижности манипулятора в результате силового контакта рабочего инструмента этого манипулятора с поверхностью объекта работ, рассчитывают величину и направление вектора силы, оказываемой рабочим инструментом манипулятора на объект работ, после чего на приводы всех степеней подвижности манипулятора подают сигналы управления, обеспечивающие перемещение рабочего инструмента упомянутого манипулятора в направлении желаемого вектора силы для достижения желаемой величины силового воздействия рабочего инструмента на поверхность объекта работ, в то же время на входы соответствующих движителей ПА подают сигналы, компенсирующие силовые и моментные воздействия на этот аппарат со стороны манипулятора, перемещающегося в вязкой среде и оказывающего силовое воздействие на объект работ, причем сигналы управления движителями ПА формируются в реальном масштабе времени на основе аналитических выражений, определяющих силу и момент, с которыми этот манипулятор действует на ПА, учитывающих вычисляемые величину и направление вектора силы, оказываемой рабочим инструментом манипулятора на объект работ, эффекты взаимовлияния между всеми степенями подвижности манипулятора, а также гидростатические и гидродинамические силы сопротивления его движению, включая вязкие трения и присоединенные массы окружающей жидкости [Коноплин А.Ю., Красавин Н.А., Юрманов А.П., Пятавин П.А. Способ позиционно-силового управления подводным аппаратом с многозвенным манипулятором для выполнения контактных манипуляционных операций с подводными объектами // RU 2789510, 06.02.2023].There is also a known method for controlling an underwater manipulator in the hovering mode of the UAV, during which implementation gyroscopic sensors and a navigation system are installed on board the UAV, which determine the linear and angular displacement of this device from its initial position when the manipulator is operating, and additional signals are supplied to the servo drives of all degrees of mobility of the manipulator controls proportional to the displacement of this PA from its initial position, which provide additional movement of the working tool of the manipulator in space and thereby continue its precise movement along a predetermined desired program path, regardless of arbitrary displacements of the PA, additionally calculate the external moments acting on the output shafts of the drives during all degrees of mobility of the manipulator as a result of forceful contact of the working tool of this manipulator with the surface of the work object, by subtracting from the value of the resulting external moment acting on the output shaft of the drive of each degree of mobility of the manipulator and measured by the load torque sensor or observer of the corresponding drive, the magnitude of the moment due to the effects of mutual influence between all degrees of mobility of the manipulator, as well as hydrostatic and hydrodynamic forces of resistance to its movement, including viscous friction and added masses of the surrounding fluid, and a solution of the inverse problem of dynamics for the mentioned underwater manipulator calculated using analytical expressions, then for a specific kinematic diagram of the manipulator based on the calculated values external moments acting on the output shafts of the drives in all degrees of mobility of the manipulator as a result of force contact of the working tool of this manipulator with the surface of the work object, calculate the magnitude and direction of the vector of force exerted by the working tool of the manipulator on the work object, after which the drives of all degrees of mobility of the manipulator are supplied control signals ensuring the movement of the working tool of the mentioned manipulator in the direction of the desired force vector to achieve the desired magnitude of the force impact of the working tool on the surface of the work object, at the same time, signals are supplied to the inputs of the corresponding propulsors of the PA, compensating for the force and moment effects on this apparatus from the side of the manipulator , moving in a viscous medium and exerting a force on the object of work, and control signals for the propulsors of the PA are formed in real time based on analytical expressions that determine the force and moment with which this manipulator acts on the PA, taking into account the calculated magnitude and direction of the vector of force exerted working tool of the manipulator on the object of work, the effects of mutual influence between all degrees of mobility of the manipulator, as well as hydrostatic and hydrodynamic forces of resistance to its movement, including viscous friction and added masses of the surrounding fluid [Konoplin A.Yu., Krasavin N.A., Yurmanov A.P. ., Pyatavin P.A. Method of positional-force control of an underwater vehicle with a multi-link manipulator for performing contact manipulation operations with underwater objects // RU 2789510, 02/06/2023].

Данный способ является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Однако он не позволяет выполнять контактные операции многозвенными манипуляторами, установленными на АНПА, схемы компоновки движителей которых не обеспечивают управление перемещениями этих аппаратов по углу крена.This method is closest to the proposed invention. However, it does not allow performing contact operations with multi-link manipulators installed on AUVs, the layout of which propellers do not provide control of the movements of these devices along the roll angle.

Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка и обеспечение требуемой точности стабилизации АНПА в режиме зависания при выполнении многозвенным манипулятором контактных операций с подводными объектами.The objective of the invention is to eliminate the above drawback and ensure the required accuracy of stabilization of the AUV in hovering mode when a multi-link manipulator performs contact operations with underwater objects.

Технический результат изобретения заключается в автоматическом формировании сигналов управления, подаваемых на входы соответствующих движителей АНПА, включая дополнительный движитель, устанавливаемый выше центра водоизмещения АНПА на поворотной платформе, изменяющей направление вектора тяги дополнительного движителя. Также автоматически формируются сигналы управления двигателем вышеуказанной поворотной платформы, задающей пространственную ориентацию вектора тяги дополнительного движителя. Вышеуказанные сигналы управления формируются на основе вычисляемых в реальном масштабе времени величинах и направлениях векторов силы и момента, действующих на АНПА со стороны многозвенного манипулятора, выполняющего контактную силовую операцию с объектом работ. С помощью тяг, создаваемых движителями АНПА, компенсируются силовые и моментные воздействия на АНПА со стороны работающего манипулятора, за счет чего обеспечивается стабилизация АНПА в режиме зависания.The technical result of the invention consists in the automatic generation of control signals supplied to the inputs of the corresponding AUV propulsors, including an additional propulsion unit installed above the AUV displacement center on a turntable that changes the direction of the thrust vector of the additional propulsion unit. Also, engine control signals of the above-mentioned rotary platform are automatically generated, which sets the spatial orientation of the thrust vector of the additional propulsion unit. The above control signals are formed on the basis of real-time calculated values and directions of force and moment vectors acting on the AUV from the side of a multi-link manipulator performing a contact force operation with the work object. With the help of thrusts created by the AUV propulsors, the force and moment effects on the AUV from the operating manipulator are compensated, thereby ensuring stabilization of the AUV in hovering mode.

Поставленная задача решается тем, что при реализации способа стабилизации АНПА в режиме зависания при выполнении установленным на нем многозвенным манипулятором контактных операций с подводными объектами, определяют линейное и угловое смещения АНПА от его исходного положения при работающем манипуляторе посредством установленных на борту АНПА гироскопических датчиков и навигационной системы, а также подают на следящие приводы всех степеней подвижности манипулятора дополнительные сигналы управления, пропорциональные смещению этого АНПА от его исходного положения, которые обеспечивают дополнительное перемещение рабочего инструмента манипулятора в пространстве и тем самым продолжение его точного движения по заранее заданной желаемой программной траектории независимо от произвольных смещений АНПА, при этом на входы соответствующих маршевых и подруливающих движителей АНПА подают сигналы, компенсирующие составляющую вектора момента, направленную вдоль вертикальной оси АНПА, и вектор силы, обусловленные воздействием на АНПА со стороны манипулятора, перемещающегося в вязкой среде и оказывающего силовое воздействие на объект работ, причем сигналы управления движителями АНПА формируют в реальном масштабе времени на основе аналитических выражений, определяющих силу и момент, с которыми манипулятор действует на АНПА и учитывающих вычисляемые величину и направление вектора силы, оказываемой рабочим инструментом манипулятора на объект работ, эффекты взаимовлияния между всеми степенями подвижности манипулятора, гидростатические и гидродинамические силы сопротивления его движению, включая силы вязкого трения и силы, вызванные присоединенными массами окружающей жидкости, дополнительно снабжают АНПА дополнительным движителем, установленным на поворотной платформе на борту АНПА выше его центра водоизмещения, причем ось вращения поворотной платформы совпадает с вертикальной осью АНПА, при этом на входы двигателя поворотной платформы и дополнительного движителя подают сигналы, задающие, соответственно, пространственную ориентацию и величину вектора тяги дополнительного движителя, компенсирующего составляющую вектора моментного воздействия на АНПА со стороны работающего манипулятора, лежащую в плоскости, образованной продольной и горизонтальной поперечной осями АНПА, и приводящую к возникновению нежелательных углов крена и дифферента АНПА, причем на входы соответствующих маршевых и подруливающих движителей АНПА в реальном масштабе времени подают дополнительные сигналы, компенсирующие вектор силового воздействия на АНПА со стороны дополнительного движителя.The problem is solved by the fact that when implementing a method for stabilizing an AUV in hovering mode when a multi-link manipulator installed on it performs contact operations with underwater objects, the linear and angular displacement of the AUV from its initial position when the manipulator is operating is determined by means of gyroscopic sensors installed on board the AUV and a navigation system , and also supply additional control signals to the servo drives of all degrees of mobility of the manipulator, proportional to the displacement of this AUV from its initial position, which provide additional movement of the manipulator’s working tool in space and thereby continue its precise movement along a predetermined desired program path, regardless of arbitrary displacements AUV, while signals are supplied to the inputs of the corresponding AUV propulsion and thrusters, compensating the component of the moment vector directed along the vertical axis of the AUV, and the force vector caused by the impact on the AUV from the manipulator moving in a viscous medium and exerting a force effect on the work object, wherein the AUV propulsion control signals are generated in real time on the basis of analytical expressions that determine the force and moment with which the manipulator acts on the AUV and take into account the calculated magnitude and direction of the force vector exerted by the working tool of the manipulator on the work object, the effects of mutual influence between all degrees of mobility of the manipulator , hydrostatic and hydrodynamic forces of resistance to its movement, including viscous friction forces and forces caused by the attached masses of the surrounding fluid, additionally provide the AUV with an additional propulsion device installed on a turntable on board the AUV above its center of displacement, and the axis of rotation of the turntable coincides with the vertical axis of the AUV , while signals are supplied to the inputs of the rotary platform engine and the additional propulsion unit, specifying, respectively, the spatial orientation and the magnitude of the thrust vector of the additional propulsion unit, compensating for the component of the vector of moment action on the AUV from the operating manipulator, lying in the plane formed by the longitudinal and horizontal transverse axes of the AUV , and leading to the emergence of undesirable angles of roll and trim of the AUV, and additional signals are supplied to the inputs of the corresponding propulsion and thrusters of the AUV in real time, compensating the vector of force on the AUV from the additional propulsion unit.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого способа с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии этого способа критерию «новизна».A comparative analysis of the characteristics of the proposed method with the characteristics of analogues and the prototype indicates that this method meets the “novelty” criterion.

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.In this case, the distinctive features of the invention formula solve the following functional problems.

Признак «снабжают АНПА дополнительным движителем, установленным на поворотной платформе на борту АНПА выше его центра водоизмещения, причем ось вращения поворотной платформы совпадает с вертикальной осью АНПА» обеспечивает возможность формирования управляющих воздействий на АНПА для его перемещения по углам крена и дифферента, а также для компенсации нежелательных внешних динамических воздействий на аппарат, приводящих к его смещениям по углам крена и дифферента.The feature “the AUV is equipped with an additional propulsion device installed on a turntable on board the AUV above its center of displacement, and the axis of rotation of the turntable coincides with the vertical axis of the AUV” provides the possibility of generating control actions on the AUV for its movement along the angles of roll and trim, as well as for compensation undesirable external dynamic influences on the vehicle, leading to its displacements in the angles of roll and trim.

Признак «на входы двигателя поворотной платформы и дополнительного движителя подают сигналы, задающие, соответственно, пространственную ориентацию и величину вектора тяги дополнительного движителя, компенсирующего составляющую вектора моментного воздействия на АНПА со стороны работающего манипулятора, лежащую в плоскости, образованной продольной и горизонтальной поперечной осями АНПА, и приводящую к возникновению нежелательных углов крена и дифферента АНПА» позволяет компенсировать составляющую вектора моментного воздействия на АНПА со стороны работающего манипулятора, лежащую в плоскости, образованной продольной и горизонтальной поперечной осями АНПА, и приводящую к возникновению нежелательных углов крена и дифферента этого аппарата. В результате чего обеспечивается стабилизация АНПА по углам крена и дифферента.The sign “signals are supplied to the inputs of the rotary platform engine and the additional propulsion unit, specifying, respectively, the spatial orientation and the magnitude of the thrust vector of the additional propulsion unit, which compensates for the component of the vector of moment action on the AUV from the operating manipulator, lying in the plane formed by the longitudinal and horizontal transverse axes of the AUV, and leading to the occurrence of undesirable angles of roll and trim of the AUV" allows you to compensate for the component of the vector of the moment effect on the AUV from the operating manipulator, lying in the plane formed by the longitudinal and horizontal transverse axes of the AUV, and leading to the occurrence of undesirable angles of roll and trim of this vehicle. As a result, the AUV is stabilized at roll and trim angles.

Признак «на входы соответствующих маршевых и подруливающих движителей АНПА в реальном масштабе времени подают дополнительные сигналы, компенсирующие вектор силового воздействия на АНПА со стороны дополнительного движителя» позволяет маршевым и подруливающим движителям АНПА в реальном масштабе времени формировать дополнительные тяги, компенсирующие нежелательные силовые воздействия со стороны дополнительного движителя.The sign “additional signals are supplied to the inputs of the corresponding AUV propulsion and thrusters in real time, compensating for the vector of force influence on the AUV from the side of the additional propulsion” allows the AUV propulsion and thrusters to generate additional thrusts in real time, compensating for unwanted force effects from the additional mover.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежом, где изображен оснащенный дополнительным движителем АНПА, выполняющий контактную операцию с объектом работ. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - АНПА; 2 - многозвенный манипулятор; 3 - объект работ; 4 - маршевые движители; 5 - подруливающие движители; 6 - дополнительный движитель; CXYZ - система координат (СК), жестко связанная с АНПА, ось CX которой направлена вдоль продольной оси аппарата, ось CZ направлена вертикально вниз, а ось CY дополняет их до правой тройки; С - центр величины АНПА; - тяги, формируемые маршевыми движителями; - тяги, формируемые подруливающими движителями; - угол, образуемый продольными осями маршевых движителей с продольной осью CX АНПА; , - векторы силового и моментного воздействий на центр величины АНПА со стороны работающего манипулятора соответственно; - тяга, формируемая дополнительным движителем; - составляющие результирующих векторов сил и моментов, с которыми движительно-рулевой комплекс (ДРК) воздействует на центр величины АНПА; - угол поворота платформы, на которой располагается дополнительный движитель.The claimed invention is illustrated by a drawing, which shows an AUV equipped with an additional propulsion device, performing a contact operation with the object of work. In fig. 1 the following designations are accepted: 1 - AUV; 2 - multi-link manipulator; 3 - object of work; 4 - main thrusters; 5 - thrusters; 6 - additional propulsion device; CXYZ is a coordinate system (CS) rigidly connected to the AUV, the CX axis of which is directed along the longitudinal axis of the vehicle, the CZ axis is directed vertically downward, and the CY axis complements them to the right three; C is the center of magnitude of the AUV; - thrust generated by main propulsors; - thrust generated by thrusters; - the angle formed by the longitudinal axes of the main thrusters with the longitudinal axis CX of the AUV; , - vectors of force and moment influences on the center of magnitude of the AUV from the operating manipulator, respectively; - thrust generated by an additional propulsion device; - components of the resulting vectors of forces and moments with which the propulsion-steering complex (PSC) acts on the center of magnitude of the AUV; - angle of rotation of the platform on which the additional propulsion is located.

Заявленный способ реализуется следующим образом.The claimed method is implemented as follows.

При нахождении АНПА в режиме стабилизируемого зависания в процессе работы манипулятора с помощью способа [Коноплин А.Ю., Красавин Н.А., Юрманов А.П., Пятавин П.А. Способ позиционно-силового управления подводным аппаратом с многозвенным манипулятором для выполнения контактных манипуляционных операций с подводными объектами // RU 2789510, 06.02.2023; Коноплин А.Ю., Красавин Н.А., Юрманов А.П., Пятавин П.А., Кацурин А.А. Система позиционно-силового управления подводными аппаратами с многозвенными манипуляторами для выполнения контактных манипуляционных операций // Подводные исследования и робототехника. 2022. № 4(42). С. 40-52] определяются линейные и угловые смещения АНПА от его исходного положения при работающем манипуляторе посредством установленных на борту АНПА гироскопических датчиков и навигационной системы, а также на следящие приводы всех степеней подвижности манипулятора подаются дополнительные сигналы управления, пропорциональные смещению этого АНПА от его исходного положения, которые обеспечивают дополнительное перемещение рабочего инструмента манипулятора в пространстве и тем самым продолжение его точного движения по заранее заданной желаемой программной траектории независимо от произвольных смещений АНПА.When the AUV is in a stabilized hover mode during operation of the manipulator using the method [Konoplin A.Yu., Krasavin N.A., Yurmanov A.P., Pyatavin P.A. Method of positional-force control of an underwater vehicle with a multi-link manipulator for performing contact manipulation operations with underwater objects // RU 2789510, 02/06/2023; Konoplin A.Yu., Krasavin N.A., Yurmanov A.P., Pyatavin P.A., Katsurin A.A. Position-force control system for underwater vehicles with multi-link manipulators for performing contact manipulation operations // Underwater research and robotics. 2022. No. 4(42). P. 40-52] the linear and angular displacements of the AUV from its initial position are determined when the manipulator is operating using gyroscopic sensors and a navigation system installed on board the AUV, and additional control signals are supplied to the servo drives of all degrees of mobility of the manipulator, proportional to the displacement of this AUV from its initial position, which provide additional movement of the working tool of the manipulator in space and thereby continue its precise movement along a predetermined desired program path, regardless of arbitrary displacements of the AUV.

При этом с учетом вычисляемых величины и направления вектора силы, оказываемой рабочим инструментом манипулятора на объект работ, эффектов взаимовлияния между всеми степенями подвижности манипулятора, гидростатических и гидродинамических сил сопротивления его движению, включая силы вязкого трения и силы, вызванные присоединенными массами окружающей жидкости, вычисляются составляющие векторов силы и момента , с которыми манипулятор воздействует на аппарат.At the same time, taking into account the calculated magnitude and direction of the vector of force exerted by the working tool of the manipulator on the object of work, the effects of mutual influence between all degrees of mobility of the manipulator, hydrostatic and hydrodynamic forces of resistance to its movement, including viscous friction forces and forces caused by the attached masses of the surrounding fluid, the components are calculated force vectors and moment , with which the manipulator acts on the apparatus.

Исходя из принятой компоновочной схемы расширенного ДРК АНПА (фиг. 1), зависимость элементов результирующих векторов силы и момента от тяг, создаваемых движителями, описывается с помощью выражений:Based on the adopted layout diagram of the extended AUV DRC (Fig. 1), the dependence of the elements of the resulting force and moment vectors on the thrusts created by the propulsors is described using the expressions:

где , , , , , , - проекции создаваемых движителями сил и моментов на соответствующие оси СК CXYZ, - геометрические параметры компоновки движителей АНПА.Where , , , , , , - projections of forces and moments created by the movers onto the corresponding axes of the CS CXYZ, - geometric parameters of the AUV propulsion layout.

Описанный ДРК является избыточным, поскольку в нем исполнительных механизмов больше, чем количество доступных для управления степеней свободы. Поэтому для решения задачи распределения управляющих воздействий между элементами ДРК применяется подход [Киселев Л.В, Костенко В.В., Медведев А.В. К оценке динамических характеристик АНПА ММТ-3500 на основе модельных и экспериментальных данных // Подводные исследования и робототехника. 2022. № 3(41). С. 33-44.], когда управляющее воздействие, направленное вдоль оси CX связанной с АНПА СК, а также управления по курсу и дифференту формируются группой маршевых движителей, расположенных в кормовой части АНПА, причем сигнал управления по дифференту формируется с учетом момента, создаваемого дополнительным движителем. Воздействия, направленные вдоль осей CY и CZ, формируются горизонтальным и вертикальным подруливающими движителями соответственно. При этом нежелательные моменты, создаваемые подруливающими движителями, компенсируются тягами маршевых движителей. С учетом вышеизложенного для компенсации силовых и моментных воздействий на АНПА со стороны работающего манипулятора исходный ДРК должен создавать следующие элементы желаемых векторов результирующих тяги и момента:The described DRC is redundant, since it has more actuators than the number of degrees of freedom available for control. Therefore, to solve the problem of distributing control actions between the elements of the DRC, the approach is used [Kiselev L.V., Kostenko V.V., Medvedev A.V. To assess the dynamic characteristics of the MMT-3500 AUV based on model and experimental data // Underwater research and robotics. 2022. No. 3(41). pp. 33-44.], when the control action directed along the CX axis associated with the AUV SK, as well as the heading and trim controls are generated by a group of main propulsors located in the aft part of the AUV, and the trim control signal is generated taking into account the moment created additional propulsion. Impacts directed along the CY and CZ axes are generated by horizontal and vertical thrusters, respectively. In this case, the undesirable moments created by the thrusters are compensated by the thrusts of the main propulsors. Taking into account the above, in order to compensate for the force and torque effects on the AUV from the operating manipulator, the original DRC must create the following elements of the desired vectors of the resulting thrust and torque:

В результате с учетом (1) и (2) желаемые значения тяг движителей исходного ДРК будут иметь вид:As a result, taking into account (1) and (2), the desired values of the thrusters of the original DRC will have the form:

При этом системы управления движителями АНПА [Киселев Л. В, Костенко В.В., Медведев А.В. К оценке динамических характеристик АНПА ММТ-3500 на основе модельных и экспериментальных данных // Подводные исследования и робототехника. 2022. № 3(41). С. 33-44.] обеспечивают близость реальных и желаемых значений создаваемых тяг.At the same time, the AUV propulsion control systems [Kiselev L.V., Kostenko V.V., Medvedev A.V. To assess the dynamic characteristics of the MMT-3500 AUV based on model and experimental data // Underwater research and robotics. 2022. No. 3(41). pp. 33-44.] ensure the proximity of the real and desired values of the generated thrusts.

Дополнительный движитель на поворотной платформе позволяет управлять угловыми перемещениями АНПА по крену и дифференту в случае, если исходный ДРК не может скомпенсировать динамические воздействия со стороны манипулятора на аппарат. Поскольку эти воздействия носят произвольный характер, необходимо в реальном масштабе времени задавать такие значения и , которые обеспечат стабилизацию АНПА как по углу крена, так и по углу дифферента. В результате желаемые значения тяги и угла поворота дополнительного движителя рассчитываются с помощью выражений:An additional propulsion device on the turntable allows you to control the angular movements of the AUV in roll and trim in the event that the original DRC cannot compensate for the dynamic effects of the manipulator on the vehicle. Since these influences are arbitrary, it is necessary to set such values in real time And , which will ensure stabilization of the AUV both in the roll angle and in the trim angle. As a result, the desired thrust values and angle rotation of the additional propulsion device is calculated using the following expressions:

где , - желаемое значение момента вокруг оси CY, который должен создавать дополнительный движитель. При этом могут вводиться специальные условия, позволяющие однозначно определять величину угла и инвертировать тягу для того, чтобы избегать скачкообразного изменения .Where , - the desired value of the moment around the CY axis, which should be created by an additional propulsion device. In this case, special conditions can be introduced that make it possible to unambiguously determine the value of the angle and invert the thrust in order to avoid abrupt changes .

В случае, когда у дополнительного движителя есть достаточный запас по управлению, чтобы скомпенсировать моментные воздействия как вокруг оси CX, так и вокруг оси CY, величина в выражениях (4), (5) принимает вид: . Если же возможностей дополнительного движителя недостаточно для стабилизации АНПА одновременно по крену и дифференту, то целесообразно ограничивать сигнал управления этим движителем по углу дифферента, чтобы гарантированно обеспечить стабилизацию АНПА по углу крена. При этом часть сигнала управления, сформированного для стабилизации аппарата по углу дифферента (2), которая не может быть отработана дополнительным движителем, должна подаваться на маршевые движители. Таким образом, если значение желаемой тяги дополнительного движителя, полученное в соответствии с выражением (4), превышает предельное значение тяги этого движителя:In the case where the additional propulsion unit has sufficient control margin to compensate for moment effects both around the CX axis and around the CY axis, the value in expressions (4), (5) takes the form: . If the capabilities of the additional propulsion unit are not enough to stabilize the AUV simultaneously in roll and trim, then it is advisable to limit the control signal of this propulsion unit in terms of the trim angle in order to guarantee stabilization of the AUV in terms of roll angle. In this case, part of the control signal generated to stabilize the vehicle at the trim angle (2), which cannot be processed by the additional propulsion unit, must be supplied to the main thrusters. Thus, if the value of the desired thrust of the additional propulsion device, obtained in accordance with expression (4), exceeds the limiting value of thrust of this mover:

то вычисляется значение необходимой тяги , которую должен сформировать дополнительный движитель для стабилизации АНПА по углу крена:then the value of the required thrust is calculated , which must be formed by an additional propulsion device to stabilize the AUV in terms of roll angle:

Далее, учитывая запас дополнительного движителя по мощности:Further, taking into account the power reserve of the additional propulsion:

формируется сигнал для управления аппаратом по углу дифферента с помощью дополнительного движителя, который в дальнейшем учитывается в выражениях (4) и (5):a signal is generated to control the vehicle according to the trim angle using an additional propulsion device, which is subsequently taken into account in expressions (4) and (5):

где ; - тяга, которую может сформировать дополнительный движитель для стабилизации угла дифферента после того, как обеспечивается стабилизация по крену.Where ; - thrust that can be generated by an additional propulsion unit to stabilize the trim angle after roll stabilization is ensured.

В результате за счет сформированных тяг ДРК, рассчитываемых с помощью выражений (3)-(9), удается обеспечить точную стабилизацию АНПА, находящегося в режиме стабилизируемого зависания над или вблизи объекта работ, при произвольных внешних воздействиях со стороны манипулятора, выполняющего силовую контактную операцию с объектом работ.As a result, due to the generated thrust control rods, calculated using expressions (3)-(9), it is possible to ensure precise stabilization of the AUV, which is in the mode of stabilized hovering above or near the work object, under arbitrary external influences from the manipulator performing a force contact operation with object of work.

Claims

A method for stabilizing an autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV) in hovering mode when a multi-link manipulator installed on it performs contact operations with underwater objects, including determining the linear and angular displacements of the AUV from its initial position when the manipulator is operating using gyroscopic sensors installed on board the AUV and a navigation system, as well as supplying additional control signals to the servo drives of all degrees of mobility of the manipulator, proportional to the displacement of this AUV from its initial position, which provide additional movement of the working tool of the manipulator in space to continue its movement along a predetermined program path, regardless of arbitrary displacements of the AUV, while the inputs of the corresponding main and thruster propulsors of the AUV supply signals that compensate for the component of the moment vector directed along the vertical axis of the AUV, and the force vector caused by the impact on the AUV from the manipulator moving in a viscous medium and exerting a force on the object of work, and the control signals of the AUV propulsors are formed in real time on the basis of analytical expressions that determine the force and moment with which the manipulator acts on the AUV, and take into account the calculated magnitude and direction of the vector of force exerted by the working tool of the manipulator on the work object, the effects of mutual influence between all degrees of mobility of the manipulator, hydrostatic and hydrodynamic resistance forces to its movement, including viscous friction forces and forces caused by the attached masses of the surrounding fluid, characterized in that the AUV is equipped with an additional propulsion device installed on a turntable on board the AUV above its center of displacement, and the axis of rotation of the turntable coincides with the vertical axis of the AUV, at the same time, signals are supplied to the inputs of the rotary platform engine and the additional propulsion unit, respectively specifying the spatial orientation and the magnitude of the thrust vector of the additional propulsion unit, compensating for the component of the vector of moment action on the AUV from the operating manipulator, lying in the plane formed by the longitudinal and horizontal transverse axes of the AUV, and the driving to the occurrence of undesirable angles of roll and trim of the AUV, and additional signals are supplied to the inputs of the corresponding main and thruster propulsors of the AUV in real time, compensating for the vector of force on the AUV from the additional propulsion unit.