Статья: МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЗВЕННЫМИ МАНИПУЛЯТОРАМИ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ (2025)

В статье рассматривается вариант системы звукоподводной связи с использованием фазоманипулированных сигналов в виде 13-позиционной последовательности Баркера. Система разработана в отделе технических средств исследования океана ТОИ ДВО РАН. Обсуждаются результаты модельного эксперимента по совместному применению сигналов на основе последовательностей Баркера с разными несущими частотами. Предложен метод разделения этих сигналов для обеспечения надежной передачи команд управления на подводные аппараты (подводные объекты).

При решении граничных задач для открытых систем типа слоистых волноводов, нагруженных на полупространство, физически и математически корректной оказывается несамосопряжённая модельная постановка, учитывающая энергообмен между волноводом и полупространством. В этой модельной постановке решение граничной задачи, обладающее свойством полноты, описывается собственными функциями двух сопряжённых операторов, какими являются расходящиеся волны и сходящиеся волны отдачи, с возможной их взаимной трансформацией на горизонтах полного внутреннего отражения. Новые свойства обобщённого решения, построенного в несамосопряжённой модельной постановке, проявляются в наибольшей степени в инфразвуковом диапазоне частот при использовании скалярно-векторного описания звукового поля. В этом диапазоне частот мелкомасштабная вихревая составляющая вектора интенсивности становится доминирующей в суммарном звуковом поле, модулируя потенциальную составляющую вектора интенсивности, выделяемую методами первичного спектрального анализа. В настоящей работе анализируется возможность выделения модуляционной составляющей методами вторичного спектрального анализа для повышения помехоустойчивости приёмных систем на основе комбинированных приёмников.

Для интенсивности низкочастотного звукового сигнала, распространяющегося в волноводе мелкого моря с шероховатой донной границей, на основе локально модового подхода выполнено сравнение результатов описания в рамках адиабатической теории и метода однонаправленного распространения (ОР). Исследование проведено для условий распространения звука, соответствующих шельфовым зонам российских арктических морей, а также Японского моря в зимний период. Сравнение выполнено для шероховатой донной границы с разными масштабами случайных нерегулярностей и разными отражательными способностями. Представлена количественная оценка того, какие ошибки влияния батиметрии, нерегулярной вдоль трассы распространения, на интенсивность звука следует ожидать в рамках адиабатического приближения. В частности показано, что ошибки адиабатического описания растут с уменьшением характерного масштаба флуктуаций шероховатостей. Как следствие при относительно небольших масштабах нерегулярностей адиабатическое приближение приводит к той или иной степени искажения картины интенсивности распространяющегося в волноводе сигнала. Кроме того, в случае многомодовых волноводов с выраженной интерференцией мод наблюдаются значительные расхождения между результатами адиабатического описания и метода ОР на локальных участках дистанции, где формируются минимумы осцилляций интенсивности.

В статье описывается разработанный авторами алгоритм сегментации цветных фотоизображений, полученных системой технического зрения автономного необитаемого подводного аппарата. Целью сегментации является последующее выделение (детектирование) на изображении интересующего объекта, обладающего специфичной цветовой палитрой в сравнении с другими (ложными) объектами поверхности дна. Суть разработанного алгоритма заключается в построении гистограмм распределения частоты повторения значений пикселей в цветовой модели тон‒насыщенность‒яркость (hue‒saturation‒value). Соотношение таких гистограмм детектируемого (искомого) объекта и преимущественного фона (ложных объектов) позволяет сегментировать фотоизображение и распознать на нем интересующий объект. После применения процедуры сегментации производится определение координат и направления детектируемого объекта. Для этих целей в работе используется метод линейной аппроксимации, примененный к совокупности пикселей, прошедших через разработанную процедуру фильтрации. Суть данной процедуры заключается в удалении определённого количества весов пикселей по строкам и по столбцам до тех пор, пока с изображения не будет удалена необходимая сумма весов пикселей. Естественным следствием такой процедуры является полная очистка изображения, что говорит об отсутствии искомого объекта на нем. Преимуществами разработанного алгоритма являются высокая скорость обработки фотокадров (требуется всего один проход по пикселям изображения), скорость обучения (достаточно одного цикла по всем пикселям всех изображений из обучающей выборки) и простота реализации. Приведены примеры работы алгоритма на реальных фотоизображениях, полученных фотосистемой малогабаритного подводного аппарата, предназначенного для обучения студентов и участия в спортивных мероприятиях по подводной робототехнике.

В статье рассмотрены наиболее известные проекты автономных необитаемых подводных аппаратов большого и сверхбольшого водоизмещения, разрабатываемых в иностранных военно-морских флотах. Дается описание их конструкции и известных тактико-технических характеристик. Делается вывод об опасности данного направления развития морской техники за рубежом для военно-морского флота России.

В настоящее время находят применение технологии освоения минеральных ресурсов Мирового океана с помощью роботизированных добычных систем, передвигающихся по дну. Подводные манипуляторы могут использоваться для сбора рассредоточенных по морскому дну твердых полезных ископаемых. Для эффективной работы необходимы высокоскоростные манипуляторы. В манипуляторах скорость звеньев ограничена высокими энергозатратами на преодоление сил инерции в каждом цикле движения. Цель работы – исследование динамики высокоскоростного манипулятора на базе электродвигателей колебательного движения резонансного типа. Резонансная настройка обеспечивает рекуперацию энергии, затраченной на преодоление сил инерции. В глубоководных условиях электрическая часть такого вибропривода может быть легко изолирована от внешней среды. Проведено моделирование динамики привода манипулятора, построенного на базе электродвигателей колебательного движения с поворотным якорем. При разработке математической модели привода использовались уравнения Лагранжа–Максвелла. Моделирование показало, что из-за позиционной зависимости электромагнитного вынуждающего момента рассматриваемые электродвигатели не могут обеспечить достаточно больших амплитуд колебаний. Рассмотрена возможность усиления колебаний методами динамического управления. Показано, что усиления колебаний можно достичь путем введения дополнительной степени свободы в электромеханическую систему «электродвигатель – исполнительный механизм». Предлагается связать схват манипулятора с якорем электродвигателя посредством упругого элемента, образующего вместе с массой схвата инерционный динамический гаситель колебаний якоря. За счет динамического гашения происходит перераспределение колебательной энергии от якоря к исполнительному механизму. В результате амплитуда колебаний схвата возрастает, а амплитуда колебаний якоря, наоборот, стремится к нулю. Причем можно добиться динамической стабилизации колебаний якоря в зоне с максимальными значениями позиционной зависимости вынуждающего электромагнитного момента. Численное моделирование показало, что таким способом можно в десятки раз увеличить амплитуду колебаний исполнительного механизма.

В статье предложен и обоснован конструктивный облик командного автономного необитаемого подводного аппарата (КАНПА) робототехнического комплекса гибридных автономных необитаемых подводных аппаратов (ГАНПА), оборудованных векторно-скалярными приемниками (ВСП) звука для решения задач оперативного мониторинга подводной шумовой обстановки в заданной акватории. КАНПА должен обеспечивать координированное управление движением группы ГАНПА в заданный район и обратно, расстановку аппаратов в заданные географические координаты донной поверхности для образования распределенной антенной системы ВСП, а также сбор результатов обработки сигналов шумового звукового поля по гидроакустическому каналу связи и передачу их на удаленный пост управления в реальном времени по радиоканалу. Предложена модель применения КАНПА, определен состав оборудования, обеспечивающий его целевое использование, обоснован и сформирован конструктивный облик аппарата. При этом особое внимание было уделено унификации бортовых систем комплекса КАНПА и ГАНПА. Отмечены перспективы применения такого комплекса, определяющие возможность решения задач назначения в реальном времени и повышение эффективности его использования.