РЕЗУЛЬТАТЫ АПРОБАЦИИ АЛГОРИТМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ПОДВОДНОГО АППАРАТА ПО ДАННЫМ ОТ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ МАЯКОВ
Аннотация
Статья посвящена вопросу определения координат и углов ориентации автономного
необитаемого подводного аппарата (АНПА) относительно стационарной посадочной
платформы с использованием высокочастотной гидроакустической системы ближнего
радиуса действия. Задача навигации предполагает маневрирование аппарата и приближе-
ние к подводной станции, что сопряжено с формированием зон с различной акустической
видимостью излучателей станции приёмными элементами аппарата. Можно выделить
три зоны акустической видимости. Первая зона характеризуется наблюдением сигналов
всех маяков подводной станции. Как следствие, данная зона является наиболее информа-
тивной для решения задачи позиционирования и определения ориентации АНПА. Вторая
зона соответствует частичному сокращению числа наблюдаемых маяков, не оказываю-
щему критического влияния на возможность решения задачи. Третья зона (посадка) опре-
деляется существенным сокращением числа наблюдаемых маяков, что, как следствие,
значительно затрудняет решение задачи позиционирования, учитывая повышенные требо-
вания по точности в момент посадки аппарата, обусловленные обеспечением безопасно-
сти. Для сохранения точности позиционирования и определения ориентации подводного
аппарата в зоне посадки, предлагается использовать результаты, полученные на ранних
этапах приближения аппарата к подводной станции (первая и вторая зоны). В работе
приводится математическая постановка задачи, описан алгоритм её решения. При нахо-
ждении АНПА в первой и второй зоне алгоритм решения состоит из двух подзадач. Первая
подзадача – грубая оценка окрестности местоположения и углов ориентации аппарата с
использованием метода K-ближайших соседей; вторая подзадача – уточнение оценок с
использованием псевдодальномерного метода путём решения системы алгебраических
уравнений с использованием алгоритма Левенберга-Марквардта. Дополнительно осущест-
вляется оценка времени излучения маяками. При нахождении АНПА в третьей зоне алго-
ритм сводится к решению системы алгебраических уравнений с использованием прогноза
времени излучения сигнала маяком, полученного при нахождении аппарата в зонах один и
два. Приведены результаты имитационного моделирования и результаты апробации алго-
ритма, полученные с использованием макета аппарата и макета подводной станции в
испытательном бассейне.
Литература
podvodnogo apparata dlya nauchnykh issledovaniy v Arktike [Application of an autonomous
uninhabited underwater vechicle for scientific research int the Arctic], Podvodnye
issledovaniya i robototekhnika [Underwater research and robotics], 2007, No. 2, pp. 5-14.
2. Liguo Tan, Shenmin Song, Xiaoyan Yang and Jianwen Song. An overview of marine recovery
methods of UAV for small ships, Journal of Harbin institute of technology, 2019, 10 (51), pp. 1-10.
3. Kebkal K.G., Mashoshin A.I. Gidroakusticheskie metody pozitsionirovaniya avtonomnykh
neobitaemykh podvodnykh apparatov [Hydroacoustic methods of positioning autonomous uninhabited
underwater vechicles], Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation], 2016,
No. 3, pp. 115-130.
4. Matvienko Yu.V. Gidroakusticheskiy kompleks navigatsii podvodnogo robota: dis. … kand.
tekh. nauk [Hydroacoustic navigation complex of an underwater robot: cand. of eng. sc. diss.]:
01.04.06. Vladivostok, 2004, 271 p.
5. Wang J., Xu T. and Wang Z. Adaptive robust unscented Kalman filter for AUV acoustic navigation,
Sensors, 2020, Vol. 20: 60.
6. Popescu Dan & Ichim Loretta. Image Recognition in UAV Application Based on Texture Analysis
// International Conference on Advanced Concepts for Intelligent Vision Systems. – 2015.
– P. 693-704.
7. Pinheiro P.M., Neto A.A., Grando R.B. et al. Trajectory Planning for Hybrid Unmanned Aerial
Underwater Vehicles with Smooth Media Transition // Journal of Intelligent & Robotic Systems.
– 2022. – 104, 46. – https://doi.org/10.1007/s10846-021-01567-z.
8. Vallicrosa G., Bosch J., Palomeras N., Ridao P., Carreras M., Gracias N. Autonomous homing and
docking for AUVs using Range-Only Localization and Light Beacons // IFAC-PapersOnLine.
– 2016. – Vol. 49. – Issue 23. – P. 54-60. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.321.
9. Fan S., Liu C., Li B., et al. AUV docking based on USBL navigation and vision guidance,
Journal of Marine Science and Technology, 2019, 24, pp. 673-685.
10. Zhong l., Li D, Lin M., Lin R., Yang C. A Fast Binocular Localization Method for AUV Docking,
Sensors (Basel), Apr. 2019, 19 (7), 1735.
11. Lin R., Zhang, F., Li, D., Lin, M., Zhou, G., Yang, C. An Improved Localization Method for
the Transition between Autonomous Underwater Vehicle Homing and Docking, Sensors,
2021, 21, 2468. Available at: https://doi.org/10.3390/s21072468.
12. Li Y., Jiang Y., Cao J., Wang B., and Li Y. AUV docking experiments based on vision positioning
using two cameras, Ocean Engineering, Dec. 2015, Vol. 110, pp. 163-173.
13. Liu S., Ozay M., Okatani T. Detection and Pose Estimation for Short-Range Vision-Based
Underwater Docking, IEEE Access, 2019, Vol. 7, pp. 2720-2749.
14. Fujiyoshi Hironobu, Hirakawa Tsubasa, Yamashita Takayoshi. Deep learning-based image
recognition for autonomous driving, IATSS Research, 2019, 43.
15. Stepanov D.N. Metody i algoritmy opredeleniya polozheniya i orientatsii bespilotnogo
letatel'nogo apparata s primeneniem bortovykh videokamer [Methods and algorithms for determining
the position and orientation of an unmanned aerial vehicle using onboard video cameras],
Programmnye produkty i sistemy [Software products and systems], 2014, No. 1 (105).
16. Gruzlikov A.M. Navigatsiya ANPA v blizhnem pole v interesakh resheniya zadachi
privedeniya k prichal'nomu ustroystvu [Navigation of the AUV in the near field in the interests
of solving the ghost problem to the mooring device], Sb. materialov XXIX SanktPeterburgskoy mezhdunarodnoy konferentsii po integrirovannym navigatsionnym sistemam
[Collection of materials XXIX St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation
Systems]. Saint Petersburg, 2022, pp. 138-140.
17. Karaulov V.G., Gruzlikov A.M. Opredelenie marshruta i skorosti dvizheniya ANPA v zadache
privedeniya k bazovoy stantsii [Determining the route and speed of AUV movement in the
problem of driving to the base station], Mater. XXIV KMU. «Navigatsiya i upravlenie
dvizheniem» [Collection XXIV KMU Navigation and motion control»], 2022, pp. 26-29.
18. Koshaev D.A. Otnositel'noe pozitsionirovanie i opredelenie orientatsii avtonomnogo
neobitaemogo podvodnogo apparata po dannym ot gidroakusticheskikh mayakov [AUV relative
position and attitude determination using acoustic beacons], Mater. XXXIII konferentsii
pamyati vydayushchegosya konstruktora giroskopicheskikh priborov N.N. Ostryakova [Collection
XXXIII conference in memory of the outstanding designer of gyroscopic devices
N.N. Ostryakov]. Saint Petersburg, 2022, pp. 70-77.
19. Koshaev D.A. Otnositel'noe pozitsionirovanie i opredelenie orientatsii avtonomnogo
neobitaemogo podvodnogo apparata po dannym ot gidroakusticheskikh mayakov [AUV relative
position and attitude determination using acoustic beacons], Giroskopiya i navigatsiya
[Gyroscopy and navigation], 2022, Vol. 30, No. 4 (119), pp. 122-141.
20. V'yugin V.V. Matematicheskie osnovy teorii mashinnogo obucheniya i prognozirovaniya [Mathematical
foundations of the theory of machine learning and forecasting]. Moscow, 2013, 387 p.
21. Izmailov A.F., Kurennoy A.S., Stetsyuk P.I. Metod Levenberga-Markvardta dlya zadachi
bezuslovnoy optimizatsii [Levenberg-Marquardt method for the problem of unconditional optimization],
Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya: estestvennye i tekhnicheskie nauki
[Vestnik of Tambov University. Series: Natural and Technical sciences], 2019, Vol. 24.
No. 125, pp. 60-74.
22. Prokhortsov A.V., Minina O.V. Analiticheskoe reshenie navigatsionnoy zadachi na osnove
psevdodal'nomernogo metoda [Analitical solution of the navigation problem based on the
pseudo-dimensional method], Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki [News of TulSU. Technical
sciences], 2020, Issue 11, pp. 395-398.
23. Barabanov O. O., Barabanova L. P. Matematicheskie zadachi dal'nomernoy navigatsii [Mathematical
problems of rangefinder navigation]. Moscow: Fizmatlit, 2007.
24. Derevyankin A.V., Matasov A.I. O konechnom algoritme opredeleniya mestopolozheniya
ob"ekta po raznostyam izmereniy psevdodal'nostey [On a finite algorithm for determining the
location of an object based on the measurement differences of pseudo-distances], Giroskopiya
i navigatsiya [Gyroscopy and navigation], 2015, No. 2, pp. 106-117.
