Методы автоматического управления морскими подвижными объектами

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования 

«Южный федеральный университет»

Инженерно-технологическая академия

В.Х. Пшихопов

М.Ю. Медведев

Б.В. Гуренко

МЕТОДЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ МОРСКИМИ

ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2016

УДК 681.51:656.5
ББК 39.475

П936

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Южного федерального университета 

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Южного федерального 

университета Финаев В.И.;

доктор технических наук, профессор Южно-Российского 

государственного политехнического университета (НПИ) 

имени М.И. Платова Глебов Н. А.

Пшихопов, В.Х.

П936 
Методы
автоматического
управления
морскими
подвижными

объектами
: 
монография
/ 
Пшихопов 
В.Х., 
Медведев 
М.Ю., 

Гуренко Б.В. ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону –
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2016. –
268 с.

ISBN978-5-9275-2280-4

В работе представлена процедура построения математических моделей 

подводных аппаратов и надводных катеров и кораблей. Приведены методы синтеза 
систем автоматического управления при движении морских подвижных объектов 
вдоль сложных траекторий, позиционирования в точке, стыковки с доковой станцией. 
Отдельно рассмотрены вопросы построения моделирующих комплексов, на которых
можно проводить исследования замкнутых систем управления. Также освещены 
вопросы реализации систем управления морскими подвижными объектами.

Монография написана при поддержке Министерства образования и науки РФ, 

НИР по государственному заданию ВУЗам и научным организациям в сфере научной 
деятельности (№114041540005).

ISBN 978-5-9275-2280-4
УДК 681.51:656.5

ББК 39.475

Южный федеральный университет, 2016
Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., 
Гуренко Б.В., 2016

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..7

Глава 1.ПРИМЕНЕНИЕ МОРСКИХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ 

РЕШЕНИИ ШИРОКОГО КРУГА ЗАДАЧ...................................................................8

1.1. Актуальность применения роботизированных морских  подвижных 

объектов............................................................................................................................8

1.2.Обеспечение базирования АНПА на подводных объектах..........................10

1.3. Обзор методов управления МПО.....................................................................14

1.3.1. Системы управления движением..................................................................14

1.4. Сравнительный анализ векторного нелинейного и линейного  

регуляторов ...................................................................................................................23

1.5. Выводы....................................................................................................................24

Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ МОРСКИХ ПОДВИЖНЫХ  ОБЪЕКТОВ ...25

2.1. Модель подводного аппарата.............................................................................25

2.1.1. Начальные положения и допущения..............................................................25

2.1.2. Математическая модель кинематики АНПА ............................................26

2.1.3. Уравнения динамики поступательного движения АНПА........................32

2.1.4. Уравнения динамики вращательного движения АНПА............................35

2.1.5. Определение сил и моментов, действующих на АНПА.............................38

2.1.6. Силы и моменты, постоянно действующие на АНПА .............................39

2.1.7. Гидродинамическая сила и еѐ момент, возникающие при  движении ...41

2.1.8. Уравнения исполнительных устройств .......................................................43

2.1.9. Векторно-матричная модель динамики АНПА..........................................45

2.1.10. Обобщѐнная векторно-матричная модель АНПА....................................49

2.2. Математическая модель внешней среды........................................................49

2.2.1. Математическая модель плотности морской воды .................................49

2.2.2. Математическая модель морского волнения ..............................................51

2.2.3. Математическая модель морского течения ...............................................56

2.3. Модель надводного катера .................................................................................58

2.3.1. Особенности динамики надводного корабля................................................58

2.3.2. Полносвязная математическая модель движения катера......................58

2.3.3. Методика оценки функциональных зависимостей гидро- и 

аэростатических динамических сил в первом приближении ............................61

2.3.4. Оценка массоинерционных и демпфирующих параметров катера........66

2.3.5. Расчет статических и динамических воздействий сплошной среды ...68

2.3.6. Определение зависимостей установившихся значений скорости 

движения, дифферента и водоизмещения от тяги двигателя для режима 

плоского движения без крена .....................................................................................73

2.4 Выводы.....................................................................................................................76

Глава 3. СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ ПОЗИЦИОННО-ТРАЕКТОРНЫХ СИСТЕМ 

УПРАВЛЕНИЯ...............................................................................................................76

3.1.Формирование траекторий движения..............................................................76

3.2.Структурно-алгоритмическая реализация автопилота...............................84

3.3.Позиционное управление.....................................................................................90

3.4.Траекторное управление......................................................................................91

3.5.Позиционно-траекторное управление ..............................................................92

3.6.Движение в среде с препятствиями...................................................................93

3.7.Метод управления АНПА при стыковке с доком..........................................95

3.7.1. Позиционирование АНПА на станцию базирования с учетом 

требования к ориентации и скорости движения АНПА....................................97

3.7.2. Оценка области достижимости с учетом ограничений .........................99

3.7.3. Обобщенная структура и алгоритм работы системы  управления при 

стыковке АНПА с подводной станцией базирования ....................................... 103

3.8.Особенности синтеза регуляторов для надводных кораблей....................105

3.9.Синтез наблюдателя возмущений ...................................................................106

3.9.1. Повышение быстродействия и точности наблюдателя...................... 110

в области больших отклонений............................................................................. 110

3.9.2. Адаптация алгоритмов управления МПО в классе прямого адаптивного 

управления................................................................................................................... 118

3.9.3. Оценивание производных по времени от возмущений............................ 123

3.10. Выводы................................................................................................................127

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МПО..........................128

4.1.Структура комплекса моделирования ...........................................................128

4.2.Параметры тестовой модели.............................................................................131

4.3.Эксперимент №1. Движение по прямой без изменения глубины ............132

4.4. Эксперимент №2. Движение вдольпрямой с поворотом на 90° ...............134

4.5. Эксперимент №3. Изменение глубины движения ......................................137

4.6. Эксперимент № 4. Позиционирование в точках 30; −30;30......................139

4.7. Результаты моделирования стыковки ..........................................................141

4.8. Примеры моделирования наблюдателей......................................................145

4.9. Выводы..................................................................................................................151

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МОРСКИМИ  

ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ...............................................................................152

5.1. Реализация системы управления надводного мини-корабля..................152

5.1.1. Математическая модель надводного мини-корабля............................... 152

5.1.2. Модель исполнительных механизмов......................................................... 154

5.1.3. Анализ управляемости и устойчивости объекта управления.............. 160

5.1.4. Синтез системы управления ........................................................................ 162

5.1.5. Моделирование движения при движении по заданному курсу.............. 163

5.1.6. Моделирование движения при позиционировании в точку ................... 164

5.1.7. Разработка структурной схемы системы управления .......................... 166

5.1.8. Программно-аппаратная реализация системы управления.................. 167

5.1.9. Результаты экспериментального исследования системы  управления 

автономного мини-корабля..................................................................................... 171

5.2. Реализация системы управления АНПА ......................................................174

5.2.1. Назначение системы управления АНПА.................................................... 174

5.2.2. Описание системы управления АНПА ....................................................... 175

5.2.3. Обоснование выбранной конструкции БЦВМ СУ АНПА....................... 181

5.2.4. Проработка вариантов размещения БЦВМ на разрабатываемых 

типовых платформах АНПА ................................................................................. 183

5.2.5. Описание алгоритма работы СУ АНПА ................................................... 186

5.3. Описание тренажерно-испытательного комплекса МПО........................189

5.3.1. Назначение программы .................................................................................. 189

5.3.2. Состав комплекса............................................................................................ 189

5.3.3. Графический интерфейс и работа с программой моделирования судовой 

системы управления, обработки и отображения информации..................... 206

5.3.4. Выполнение функций создания, редактирования и задания  траектории 

для движения АНПА в автоматическом режиме............................................. 211

5.4. Экспериментальное исследование СУ АНПА .............................................229

5.5. Экспериментальное исследование КМ АНПА ............................................238

5.6. Выводы..................................................................................................................247

Библиографический список........................................................................................247

ВВЕДЕНИЕ

В монографии рассмотрены методы построения математических моделей 

морских подвижных объектов (МПО), таких как подводные аппараты и 

надводные катера. Авторы используют математические модели на основе 

уравнений твердого тела, без дополнительных упрощений. Дополняя 

полученные уравнения математическими моделями внешней среды, получают 

полносвязные 
нелинейные 
математические 
модели 
движения 
морских 

подвижных объектов.

На основе построенных математических моделей предлагается ряд 

методов автоматического управления морскими подвижными объектами на 

основе 
позиционно-траекторных 
законов 
управления. 
Рассматриваются 

различные режимы движения, такие как движение вдоль заданной траектории, 

позиционирование в точке, движение в среде с препятствиями, а также методы 

управления МПО при выполнении операций автоматической стыковки с 

доками или причальными станциями. Рассмотрена проблема обеспечения 

устойчивости 
замкнутой системы управления. Для адаптации систем 

управления к изменениям внешней среды авторы предлагают использовать 

асимптотические 
наблюдатели 
внешних 
возмущений, 
построенные 
на 

оригинальных робастных алгоритмах.

Большое внимание уделено методам исследования, проектирования и 

разработки 
систем 
управления 
морскими 
объектами. 
Рассмотрены 

многочисленные примеры моделирования замкнутых систем управления, 

структурные и функциональные схемы построения таких систем, способы 

организации программного обеспечения и проведения испытаний.

Глава 1.ПРИМЕНЕНИЕ МОРСКИХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ 

РЕШЕНИИ ШИРОКОГО КРУГА ЗАДАЧ

1.1. Актуальность 
применения
роботизированных 
морских 

подвижных объектов

В настоящее время работы по созданию подвижных роботизированных 

комплексов предпринимаются во многих странах, в том числе и в России. 

Автоматическое управление движением судна или подводного аппарата, т.е. 

морского подвижного объекта (МПО), на современном уровне позволяет 

реализовать как более сложные режимы работы, например, маневрирование 

МПО в условиях подвижным помех и ограничениях на маневр, так и повысить 

скорость и точность планирования и отработки траекторий движения.

Особенно удобны дляиспользования роботизированныеМПО в задачах, 

требующих длительного непрерывного мониторинга водных пространств. 

Обитаемые морские подвижные объекты [1,2] дороги, громоздки, требуют 

наличия систем жизнеобеспечения членов экипажа. В связи с этим широкое 

распространение получили телеуправляемые подводные и надводные аппараты. 

Телеуправляемые подводные аппараты соединены с кораблем-носителем 

специальным кабелем, по которому осуществляется энергопитание аппарата, 

передача управляющих сигналов и получение различной информации с датчиков 

аппарата.  Но у таких аппаратов есть серьезные недостатки. В первую очередь –

сам кабель, ограничивающий глубину погружения и дальность действия. В 

основном они применяются для аварийных и спасательных работ, когда 

требуется оперативное управление, исходя из подводной или надводной 

обстановки. Поэтому все чаще при решении различных задач применяют 

автономные робототехнические системы на базе морских подвижных объектов, 

способные в автоматическом режиме выполнять поставленные перед ними 

задачи.  Естественно, что функция дистанционного управления всегда 

присутствует в аппаратах этого класса. Несмотря на то, что МПО, автономные в 

смысле энергообеспечения и в смысле управления, являются отдельным классом 

робототехнических систем, на сегодняшний день также широко применяются 

необитаемые подводные аппараты, обладающие только автономностью в плане 

управления, а питание осуществляется по кабелю с судна-носителя, и наоборот, 

питание аппарата является автономным, а управление осуществляется 

оператором по кабелю. Существующие робототехнические системы на базе 

МПО способны работать и обеспечивать выполнение отдельных подзадач в 

автоматическом режиме, т.е. оператор дает команды «Двигаться в заданную 

точку», «Поднять заданный объект», а системы управления выполняют 

поставленные задачи в автоматическом режиме с учетом внешней обстановки 

(течения, наличие препятствий и т.д.). 

Обычно роботизированный МПО работает по заложенной программе –

движется, выполняет задание и возвращается к обеспечивающему судну или 

береговой базе. Аппараты такого типа принимают команды и передают 

информацию с помощью гидроакустической и радиосвязи. Навигационная 

система 
(гидроакустическая,
спутниковая, 
локальная),
дополненная 

инерциальной
бортовой навигационной системой, позволяет отслеживать 

траекторию движения аппарата в реальном времени [3]. 

Морская робототехника активно используется в гражданском флоте для 

решения таких задач, как картографирование морского дна, наблюдение и 

диагностика подводных коммуникаций (трубопроводы, сети передачи данных), 

транспортировка материалов к местам выполнения подводных работ и др. Стоит 

отметить, что выполнение некоторых задач с помощью других средств 

затруднительно или просто невозможно.

РФ имеет самую протяженную в мире морскую границу и очень важно 

сегодня обеспечить национальную безопасность нашей страны с моря.  МПО по 

своим 
функциональным 
возможностям 
способны 
решать 
масштабные 

оборонительные задачи.

В России наибольшего успеха в разработке и создании автономных 

необитаемых подводных аппаратов (АНПА) достиг Институт проблем морских 

технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН), где под 

руководством академика РАН М.Д. Агеева и Л.А.Наумова
разработана 

уникальная модульная конструкция (технология), позволяющая производить 

сборку и отладку НПА под конкретную задачу. Созданные в ИПМТ ДВО РАН 

автономные НПА с глубиной погружения до 6000 м не уступают в настоящее 

время по своим тактико-техническим характеристикам лучшим зарубежным 

аппаратам.

Существующие системы в основном функционируют в дистанционном 

режиме и лишь некоторые элементы заданий могут выполнять автономно без 

вмешательства 
диспетчера. 
Эта 
ситуация 
обусловлена 
использованием 

классических подходов при построении автоматических систем управления, 

которые обеспечивают приемлемое решение поставленной задачи только в 

отдельных режимах функционирования.

Основой для разработки робототехнической системы на базе МПО должна 

стать современная теория управления, которая позволяет синтезировать 

многорежимные регуляторы для многосвязных нелинейных многомерных 

объектов, действующих в условиях нестационарных препятствий и возмущений. 

В совокупности с интеллектуальными алгоритмами планирования такие 

регуляторы могут стать основой для создания робототехнических комплексов на 

базе МПО.

1.2.
Обеспечение базирования АНПА на подводных объектах

Для обслуживания и запуска автономных необитаемых подводных 

аппаратов необходимо обеспечивать сопровождающее судно специальным 

оборудованием, при помощи которого экипаж может спустить АНПА на воду. 

Однако существуют проекты по развитию системы стыковки АНПА и 

сопровождающего судна или подводной лодки под водой.  Базирование АНПА 

может осуществляться на подводной лодке, надводном корабле или на 

подводном стыковочном узле. При этом стыковка АНПА с судном может 

осуществляться через специальные ниши в днище корабля-носителя.

В общем случае АНПА могут базироваться на подвижных и неподвижных 

доках. К подвижным докам относятся станции базирования АНПА на 

сопровождающих кораблях или подводных лодках, к неподвижным – донные 

или привязанные к стационарному объектустанции.

Примеры неподвижных станций базирования приведены на рис.1.1 и 1.2.

Рис. 1.1. Стыковка АНПА с

донной станцией

Рис. 1.2. Стыковка АНПА со

станцией базирования

АНПА может стыковаться и с подвижными платформами. Идея 

базирования АНПА на подводных лодках особенно актуальна при боевых 

операциях. АНПА может выполнять широкий круг задач [3–10], а его наличие на 

борту подводной лодки или надводного корабля существенно повышает 

возможности такого комплекса. 

В настоящее время известен ряд технических решений, направленных на 

обеспечение базирования АНПА на подводных лодках. Так, в открытой печати 

представлено много проектов [5–9] и разработок по базированию АНПА на 

подводных лодках, что, по мнению авторов проектов, существенно повышает 

возможности подводных лодок. Существует две концепции базирования АНПА 

на подводных лодках: а) концепция "сухого" базирования, когда АНПА хранится 

и обслуживается внутри корпуса лодки или внутри специальных контейнеров, 

например, модернизированных пусковых ракетных шахт ПЛ; б) концепция 

"мокрого" базирования, когда АНПА в течение всего срока автономности 

подводной лодки хранится вне корпуса в специально отведенном месте, 

заполненном забортной водой. В работе [3] рассмотрены достоинства и 

недостатки первой и второй концепции. Концепция «сухого» базирования 

требует переоборудования ПЛ, что влечет за собой высокую стоимость 

внедрения таких систем. Концепция «мокрого» базирования значительно 

дешевле, однако есть и свои минусы, связанные с отсутствием доступа к 

системам АНПА, что значительно затрудняет их обслуживание. 

Стоит отметить, что пока развиваются обе концепции, и ни одна из них не 

получила какого-то преимущества.

Концепция "сухого" базирования АНПА реализована в США при создании 

противоминной системы лодочного базирования в рамках программы Long
termMineReconnaissanceSystem 
(LMRS). 
Данная 
система, 
получившая 

впоследствии обозначение AN/BLQ-11, состоит из двух АНПА, а также 

комплекта корабельного и берегового оборудования [8]. АНПА AN/BLQ-11, 

внешний вид которого представлен на рис. 1.3, имеет длину 6,1 м, диаметр 0,533 

м, массу 1260 кг, глубину погружения 300 м и скорость хода до 7 узлов. В состав 

корабельного оборудования входят: устройство для обеспечения выхода и 

возвращения АНПА через торпедные аппараты, системы сбора, обработки и 

отображения данных, системы связи между АНПА и носителем, а также 

запасные источники энергии для АНПА.

В ходе испытания автономный подводный аппарат AN/BLQ-11 был 

выпущен из торпедного аппарата ударной подводной лодки ВМС США, 

находившейся в погруженном положении, и после выполнения задания 

самостоятельно вернулся обратно в торпедный аппарат. При этом использовался 

захват-манипулятор, установленный на ПЛ, внешний вид которого приведен на 

рис. 1.4.

Рис. 1.3. Процесс загрузки системы 

AN/BLQ-11на борт ПЛ

Рис. 1.4. Стыковка АНПА AN/BLQ-11 

с ПЛ при помощи захвата
манипулятора

Другой проект – НПА типа “Манта” [9], который имеет гибкую 

конфигурацию и будет использоваться совместно с ПЛ. Проект разрабатывается 

с 1996 г. специалистами Центра подводной войны ВМС США в Ньюпорте. Как 

видно из рис. 1.5, в носовой оконечности АПЛ должно размещаться сразу 

4 аппарата. Мини-подлодки скатоподобной формы практически не будут 

нарушать гидродинамических характеристик и общей архитектуры носителя. 

Прорабатывается несколько вариантов размеров и габаритов аппарата: 

длина − от 15 до 25 м и масса − от 50 до 90 т.

Рис.1.5. Выход НПА «Manta» из ангара подводной лодки

В общем случае стыковка АНПА с ПЛ может происходить в процессе 

движения ПЛ, а также когда она неподвижна. 

Таким образом, идея базирования необитаемых подводных аппаратов на 

донных сооружениях или на подводных лодках и надводных кораблях получила 

широкое 
распространение. 
Такой 
подход 
повышает 
эффективность 

использования АНПА и комплексов в целом.  

Для безопасности АНПА и станции базирования системе управления НПА 

необходимо осуществить точное позиционирование аппарата. Такая операция 

под водой затрудняется наличием подводных течений и завихрений, вызванных 

работой винтов. Приведение АНПА к подводным причальным сооружениям, 

стыковка с ними в автоматическом режиме с высокой точностью позволяет 

минимизировать риски возникновения аварийной ситуации.

1.3. Обзор методов управления МПО

1.3.1. Системы управления движением

При синтезе законов управления роботизированными МПО следует иметь 

в виду, что МПО в общем случае является динамическим объектом. К основным 

подходам синтеза систем управления динамическими подвижными объектами 

можно отнести: метод позиционно-траекторного управления подвижными 

объектами, разработанный В.Х. Пшихоповым [12–19], метод обратных задач 

динамики, разработанный школой А.С. Галиуллина [20] и П.Д. Крутько [21], 

метод структурного синтеза координирующих систем управления Л.М. Бойчука 

[22,23], метод построения систем управления программным движением 

А.В. Тимофеева [24], метод согласованногоуправленияИ.В. Мирошника [25], 

синергетический метод синтеза А.А. Колесникова [26−29], метод потенциальных 

полей О. Хатиба [30], метод неклассических функционалов (функционала 

обобщенной 
работы) 
А.А. Красовского, 
включая 
самоорганизующиеся 

оптимальные регуляторы с экстраполяцией [31, 32], методы адаптивного 

частотно-модального 
управления 
А.Г. 
Александрова
[32−38], 
методы 

адаптивного 
управления