Введение к работе
Актуальность темы. Задача периодического обследования (инспекции) подводных коммуникаций с течением времени становится всё более острой, что связано с возрастающим количеством коммуникационных линий и их длиной. Примером может служить инспекция подводных трубопроводов и кабелей (далее искусственных протяженных объектов) на предмет повреждений или наличия посторонних предметов. Задача инспекции включает в себя: поиск протяженного объекта, его отслеживание (с ведением фото-документирования), акустическую съемку окрестности объекта и контроль состояния параметров окружающей среды (для трубопроводов). Обычно для этих целей применяют надводные суда, водолазов, буксируемые и телеуправляемые подводные аппараты, однако возможность использования этих средств часто ограничена и ведет к увеличению стоимости инспекционных работ. Перспективным решением задачи инспекции подводных коммуникационных линий большой протяженности является применение автономного необитаемого подводного аппараты (АНПА) в качестве «интеллектуального носителя» обзорно-поисковой аппаратуры регистрирующей состояние искусственного протяженного объекта (ИПО). Благодаря возможности длительного пребывания под водой, дальности действия, маневренности и относительно низкой стоимости работ, применение АНПА позволяет в сжатые сроки произвести инспекцию всей трассы залегания подводных коммуникаций.
Первые разработки, касающиеся возможности применения АНПА для отслеживания ИПО относятся к 80-90 годам прошлого столетия (Агеев М.Д., Kato N., Asakawa K. и др.). На данный момент можно говорить о хорошей проработанности задачи идентификации подводных кабелей на фотоизображениях (Щербатюк А.Ф., Желтов С.Ю., Ito Y., Ura T., Conte G., Ortiz A., Oliver G. и др.). Достаточно давно ведутся исследования по обнаружению металлосодержащих ИПО на основе электромагнитной информации (Кукарских А.К., Kojima J., Asakawa K. и др.). На сегодняшний день в печати встречается информация о трех аппаратах, способных проводить инспекцию протяженных объектов: японский Aqua Explorer 2000; французский Alistar 3000 и российский MT-98. Первый из них предназначен для отслеживания подводных кабелей, содержащих запитанные токонесущие проводники. Принцип действия сенсорных устройств этого АНПА не позволяет обнаруживать трубопроводы, информационные (не запитанные) кабели и кабели с обрывом. Область назначения второго аппарата – инспекция подводных трубопроводов (первые упоминания об испытаниях содержатся в работах 2007 года). Известно, что аппарат оснащен телевизионной, эхолокационной и электромагнитной системами, однако о методах идентификации ИПО и управлении АНПА информации крайне мало. В России разработки в данной области ведутся в Институте проблем морских технологий (ИПМТ ДВО РАН) [1,2]. Практический опыт применения подводных аппаратов показывает, что имеется ряд трудностей, связанных с автоматической инспекцией ИПО. Нерешенной остается задача автоматического обнаружения тонких протяженных объектов (кабелей) на снимках гидролокатора бокового обзора. Существует необходимость в повышении точности и надежности обнаружения металлосодержащих протяженных объектов по данным электромагнитных сенсорных устройств и крупногабаритных ИПО (трубопроводов, траншей) по данным многолучевой эхолокационной системы. Кроме того, в случае наличия нескольких разнородных систем обнаружения возникают вопросы совместной обработки данных и формирования управления АНПА в условиях неточной и постоянно изменяющейся информации. Таким образом, задача разработки алгоритмов поиска и обследования ИПО с помощью АНПА является актуальной.
Цель и основные задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка алгоритмов поиска и обследования искусственных подводных протяженных объектов средствами автономного необитаемого подводного аппарата. Для достижения указанной цели в работе определены следующие задачи:
-
Разработка алгоритмов идентификации протяженных объектов с использованием дальнодействующих и близкодействующих средств обнаружения.
-
Разработка алгоритмов интегральной обработки данных от сенсорных устройств АНПА различной природы для вычисления параметров инспектируемого ИПО.
-
Разработка алгоритмов управления подводным аппаратом для осуществления инспекции протяженных объектов.
-
Реализация и оценка характеристик предлагаемых решений в опытных и экспериментальных образцах АНПА.
Методы исследования базируются на применении аппарата теории распознавания образов, принятия решений, управления и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые предложен алгоритм распознавания тонких протяженных объектов (кабелей) по данным гидролокатора бокового обзора, работающий в режиме реального времени на борту АНПА;
разработан новый алгоритм идентификации крупногабаритных ИПО (трубопроводы, траншеи) по данным многолучевой эхолокационной системы, позволяющий обнаруживать объект инспекции не зависимо от направления движения АНПА по отношению к объекту;
получены аналитические выражения, позволяющие использовать для обнаружения металлосодержащих ИПО электромагнитный искатель АНПА с неортогональной антенной системой;
разработан алгоритм интегральной обработки информации, использующий текущие и накопленные данные разнородных сенсорных устройств АНПА для вычисления параметров ИПО;
предложен новый алгоритм управления АНПА, позволяющий производить инспекцию подводных коммуникаций в автономном режиме с использованием всех имеющихся на борту систем распознавания ИПО.
На защиту выносятся следующие положения:
алгоритмы распознавания протяженных объектов;
алгоритм интегральной обработки информации от разнородных сенсорных устройств АНПА для вычисления параметров ИПО;
алгоритм управления АНПА во время инспекции ИПО;
реализация разработанных алгоритмов на борту АНПА.
Практическая ценность работы заключается в разработке и реализации на борту АНПА алгоритмов распознавания, интегральной оценки данных и управления. Использование предлагаемых алгоритмов позволяет решить задачу инспекции подводных протяженных объектов средствами АНПА. Полученные в работе результаты основаны на опыте создания в ИПМТ ДВО РАН обследовательских и обзорно-поисковых аппаратов. Работа выполнялась в рамках НИР «Разработка технологии создания интеллектуальных подводных роботов на основе реконфигурируемых системных архитектур и высокоточных методов навигации и управления» № гос. регистрации 01.2006 06513», Гособоронзаказа, а также при поддержке грантов РФФИ и ДВО РАН: №06-08-07118-з, №07-08-00596-а, №08-08-08043-з, №09-08-08016-з, №06-11-04-03-002, №06-111-А-01-010, №09-II-СО-3-001, №09-I-ОЭММПУ-08, №09-III-А-01-006.
Достоверность исследований обеспечивается обоснованием выбора применяемых методов распознавания, интегральной оценки данных и управления АНПА, на основе проверенных результатов теоретических и экспериментальных исследований. Правильность выбранных подходов подтверждается результатами моделирования, морскими испытаниями и опытной эксплуатацией подводных аппаратов.
Реализация результатов работы. Алгоритмы идентификации протяженных объектов, интегральной обработки данных и управления АНПА были реализованы, прошли испытания и опытную эксплуатацию в составе систем управления аппаратов МТ-98 и TSL.
Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы были представлены на 8 конференциях, из которых 3 зарубежных и 5 российских:
Зарубежные конференции и симпозиумы: 1) Шестой международный симпозиум по подводным технологиям, г. Уси, Китай, 2009 г., [2]. 2) Международная конференция «Океаны’08», г. Кобе, Япония, 2008 г., [8,12]. 3) Международная конференция «Океаны’06», г. Бостон, США, 2006 г., [6,15] (доклад [6] был удостоен III места на конкурсе аспирантских работ).
Российские конференции и школы-семинары: 1) Третья всероссийская научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 2009 г., [3]. 2) VIII школа-семинар молодых ученых «Математическое моделирование и информационные технологии», Иркутск, 2006 г., [5]. 3) Международная научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 2007 г., [11]. 4) Международная научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 2005 г., [14]. 5) Международная конференция по подводным технологиям, С-Петербург, 2009 г., [17].
Публикация результатов работы. По результатам исследований было опубликовано 17 печатных работ (3 работы размещены в журналах из списка, рекомендованного ВАК [4,9,16]). Большинство результатов исследований легли в основу главы “AUV Application for Inspection of Underwater Communications” книги [1].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание излагается на 160 страницах, в том числе 54 иллюстрации и 5 таблиц. Объем приложений составляет 19 страниц и включает 12 иллюстраций и 3 таблицы. Список литературы содержит 114 наименований. Последние разделы глав 2-5 и приложение содержат результаты моделирования, натурных экспериментов, постобработки реальных данных и результаты опытной эксплуатации АНПА.
