Теоретические основы и методы группового управления безэкипажными подводными аппаратами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-19-00063

НазваниеТеоретические основы и методы группового управления безэкипажными подводными аппаратами

Руководитель Гайдук Анатолий Романович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-606 - Навигация, наведение и управление подвижными объектами

Ключевые слова безэкипажные подводные аппараты, групповое управление, управление строем, управление движением, дискретное управление, подводная среда

Код ГРНТИ28.23.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Применение безэкипажных подводных аппаратов требует повышения функциональных возможностей и показателей качества систем управления ими в части согласованного управления движением, поддержания взаимного расположения аппаратов при выполнении различных задач в разнообразных условиях подводной обстановки. В этой связи актуальной является проблема создания методов группового управления, обеспечивающих решение указанных задач с учетом таких ограничений, как низкие скорости обмена информацией, низкая частота обновления навигационных данных и наличие внешних возмущений, по интенсивности сравнимых с управляющими сигналами. В ходе выполнения проекта планируется проведение следующих работ: 1) Разработка и обоснование многокритериальных оптимизационных методов решения задачи о назначениях для подводных аппаратов при формировании заданного строя, маневрах и перестроениях, обеспечивающих, в частности, функциональное соответствие аппарата и минимизацию пути в назначенное место строя при отсутствии коллизий между подводными аппаратами. 2) Разработка и обоснование градиентного метода и алгоритмов формирования и поддержания заданного строя подводных аппаратов, обеспечивающих требуемую точность при действии возмущений со стороны подводной среды. 3) Разработка и математическое обоснование методов планирования движения группы подводных аппаратов при ограничениях на параметры системы навигации и связи с учетом требований поддержания строя и безопасности функционирования группы. 4) Разработка и обоснование метода синтеза эффективной системы управления группой подводных аппаратов при низкой частоте обновления навигационной информации, что является основной проблемой при реализации оперативного управления в подводной среде. 5) Разработка моделирующего программного комплекса и проведение численных экспериментов для подтверждения эффективности полученных теоретических результатов, новых методов и алгоритмов. Новизна исследования заключается в расширенной постановке и новых методах решения задач назначения подводных аппаратов в строй, устойчивого формирования и поддержания заданной структуры строя, анализа устойчивости движения группы подводных аппаратов, синтеза группового и одиночного управления движением аппаратов в условиях подводной среды.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения проекта рассмотрены централизованные и децентрализованные методы управления группой автономных подводных аппаратов. Проведен анализ ограничений и возможностей использования различных структур системы группового управления в подводной среде. Также рассмотрены методы формирования строя, основанные на взаимодействии элементов группы, включая роевые и стайные. Разработан метод безопасного выхода подводных аппаратов из доковой станции. Метод базируется на разбиении группы аппаратов на минимальное число подгрупп. В каждой подгруппе находятся аппараты, находящиеся друг от друга на расстоянии, превышающем заданное минимальное значение. Данная задача сведена к кликовому покрытию или разбиению на клики неориентированного графа – разбиение вершин на клики, подмножества вершин, внутри которых каждые две вершины связаны друг с другом ребрами. При этом, любая подгруппа подводных аппаратов, которой в графе G соответствует полный подграф, может быть выведена из доковой станции одновременно, поскольку между любой парой аппаратов из этой подгруппы расстояние изначально будет не меньше, чем s, т.е. выполняются условия безопасного выхода из станции. Данная задача относится к числу NP-полных проблем, в связи с чем она решена в субоптимальной постановке, на основания мета-эвристики муравьиного алгоритма. Разработан градиентный метод формирования строя группы подводных роботов. Новизна данного метода заключается в новом вероятностном функционале, оптимизация которого позволяет группе роботов достигать целевых положений в заданном виртуальной структурой строе и обеспечивать отсутствие коллизий между элементами группы. Предложенный метод является обобщением метода потенциальных полей, он характеризуется естественностью построения и простотой интерпретируемости. В целом метод представляет собой перспективный подход к управлению большими группами аппаратов, в том числе на этапе формирования строя, восстановления строя после обхода препятствий, совершения заранее известного пространственного маневра, перестроении. При этом учитывается возможность выхода из строя отдельных аппаратов. Разработана комплексная математическая модель, включающая модель кинематики, динамики и исполнительных механизмов подводного аппарата, модели системы навигации, связи и подводной среды. Проведен расчет гидродинамических параметров модели. Данная математическая модель реализована комплексом программ, написанных на языках Matlab, Python. Также создана трехмерная модель подводного аппарата для моделирования в среде Unity. Формализованы критерии оценки качества системы группового управления. Такими критериями являются число подгрупп АНПА при выходе из дока, точность слежения за заданным положением в строю, вероятность успешного достижения подводным аппаратом целевой точки при отсутствии коллизий. Разработан метод управления подводным аппаратом, который учитывает нелинейность управляющих гидродинамических рулей. Данный метод базируется на полиномиальном подходе и квазилинейной модели, которая точно описывает исходный нелинейный подводный аппарат. Разработаны методы планирования движения, базирующиеся на роевом подходе и использующие глубокое машинное обучение. Получены перспективные результаты в области планирования движения одиночных подводных аппаратов, которые будут использованы на следующем этапе.

Публикации

1. Хамдан Н., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х. Method of Motion Path Planning Based on a Deep Neural Network with Vector Input Мехатроника, автоматизация, управление, Hamdan N., Medvedev M., Pshikhopov V. Method of Motion Path Planning Based on a Deep Neural Network with Vector Input. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2024, V. 25(11). Pp. 559 – 567. (год публикации - 2024)
doi.org/10.17587/mau.25.559-567

2. Каркищенко А.Н. Градиентный метод формирования строя подводных аппаратов на основе вероятностного функционала Мехатроника, автоматизация, управление, Каркищенко А.Н. Градиентный метод формирования строя подводных аппаратов на основе вероятностного функционала // Мехатроника, автоматизация, управление, № 2, 2025. (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.17587/mau.26.209-219

3. Костюков В.А., Медведев И.М., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х. Численное моделирование роевого алгоритма планирования путив двухмерной некартографированной среде Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. , Костюков В.А., Медведев И.М., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х. Численное моделирование роевого алгоритма планирования путив двухмерной некартографированной среде. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. 2024. Т. 16. № 2. С. 26-40. (год публикации - 2024)
DOI: 10.14529/mmph240203

4. Медведев И.М., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х. Алгоритмы группового управления подводных подвижных объектов Подводные исследования и робототехника, Медведев И.М., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х. Алгоритмы группового управления подводных подвижных объ-ектов. Подводные исследования и робототехника. 2024. № 3(49). С. 38-51. (год публикации - 2024)
DOI: 10.37102/1992-4429_2024_49_03_04

5. Хуссейн Фирас Айманович Муравьиный алгоритм кликового покрытия Программная инженерия: методы и технологии разработки информационно-вычислительных систем (ПИИВС-2024): сборник научных трудов V Международной научно-практической конференции, Программная инженерия: методы и технологии разработки информационно-вычислительных систем (ПИИВС-2024): сборник научных трудов V Международной научно-практической конференции, Том 1. 27-28 ноября 2024 г. – Донецк, ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», 2024. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработаны и исследованы методы и алгоритмы планирования и управления движением группы подводных аппаратов заданным строем при проведении поиска полезных ископаемых. Развит градиентный метод группового управления движением, основанный на вероятностном подходе к решению задачи. Предложено решение, обеспечивающее движение группы заданным виртуальным строем с лидером при наличии навигационных погрешностей и дискретности получения навигационной информации. Получены расчетные соотношения для вычисления требуемого направления движения, времени попадания в заданную точку. Также получено условие для интервала обновления координат, при выполнении которого расстояние до желаемого положения подводного аппарата монотонно убывает. Разработаны алгоритмы распределения мест в строю, основанные на использовании интеллектуальных эвристик, применение которых обусловлено большим числом аппаратов в группы, достигающем 1000 единиц. Предложены алгоритмы распределения мест в строю, использующие муравьиный алгоритм, роевой алгоритм и алгоритм Q-обучения с подкреплением. Алгоритмы исследованы методами численного моделирования. Разработаны аналитические методы управления движением подводных аппаратов, основанные на квазилинейным моделях и полиномиально-матричном методе синтеза нелинейных систем. Разработанные методы позволяют учесть нелинейность подводного аппарата по управлению и дискретность навигационных данных. Получены условия разрешимости задачи синтеза, которые заключаются в выполнении условия управляемости состояния и условия управляемости выхода. Представлен метод синтеза гибридных систем управления, в которых интервал дискретизации является значительным по сравнению с временем переходных процессов в замкнутой системе. Разработан моделирующий комплекс для исследования и автоматизированного синтеза систем группового управления подводными аппаратами. Моделирующий комплекс включает пункт управления, персональный компьютер симулятора, персональный компьютер системы группового управления и панель визуализации. Создано ядро моделирования на базе "Unity SDK", реализовано сетевое взаимодействие по протоколу ZeroMQ. Архитектура симулятора включает модули конфигурации, генерации объектов, связи, группы АНПА, физики и динамики. Комплекс позволяет моделировать до 1000 аппаратов, при этом возможно использование как упрощенных, таки и детализированных математических моделей АНПА. Реализованы алгоритмы управления движением одиночных АНПА, а также алгоритмы построения и поддержания заданного строя группы. Симулятор реализует следующие функциональные возможности: конфигурация сценариев; выбор и геопризявка района функционирования; расстановка донных средств навигации; задание точек запуска и маршрутов движения; задание количеств АНПА, формы строя, скорости движения. Моделирующий комплекс позволяет подключать внешние блоки.

Публикации

1. Метод синтеза квазилинейных неаффинных нелинейных систем управления общей структуры Design Method of Quasilinear Nonaffine Nonlinear Control Systems of General Structure IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, A. R. Gaiduk, M. Y. Medvedev and V. K. Pshikhopov, "Design Method of Quasilinear Nonaffine Nonlinear Control Sys-tems of General Structure," in IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2025, v. 22, pp. 20208-20220 doi: 10.1109/TASE.2025.3599894 (год публикации - 2025)
doi: 10.1109/TASE.2025.3599894

2. СИНТЕЗ ГИБРИДНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КВАЗИЛИНЕЙНОГО ПОДХОДА СИНТЕЗ ГИБРИДНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КВАЗИЛИНЕЙНОГО ПОДХОДА Автоматика и телемеханика, Гайдук А.Р. СИНТЕЗ ГИБРИДНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КВАЗИЛИНЕЙНОГО ПОДХОДА // Автоматика и телемеханика. - 2025. - №10. - C. 21-41. doi: 10.31857/S0005231025100027 (год публикации - 2025)
doi: 10.31857/S0005231025100027

3. Синтез неаффинных нелинейных систем управления на основе квазилинейных моделей Синтез неаффинных нелинейных систем управления на основе квазилинейных моделей Мехатроника, автоматизация, управление, Гайдук А.Р., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х., Гисцов В.Г. Синтез неаффинных нелинейных систем управления на основе квазилинейных моделей. Мехатроника, автоматизация, управление. 2025;26(5):223-232. https://doi.org/10.17587/mau.26.223-232 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.17587/mau.26.223-232

4. Интеллектуальное распределение задач среди подвижных объектов на базе алгоритма обучения с подкреплением Intelligent task allocation between moving objects based on reinforcement learning algorithm Lecture Notes in Computer Science (год публикации - 2025)

5. Решение проблемы кликого покрытия на базе муравьиного алгоритма оптимизации Solving Clique Cover Problem Using Ant Colony Optimization Lecture Notes in Networks and Systems, Houssein, F. (2026). Solving Clique Cover Problem Using Ant Colony Optimization. Lecture Notes in Networks and Systems, 2025. vol 1558. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-032-00236-5_16 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1007/978-3-032-00236-5_16

6. Синтез нелинейных систем управления подводными аппаратами на базе квазилинейных моделей Synthesis of nonlinear systems of underwater vehicles based on quasi-linear models Lecture Notes in Computer Science (год публикации - 2025)

7. Распознавание малоконтрастных объектов интереса в условиях низкой освещенности на основе нейросетевых алгоритмов и данных о поляризации световых волн Распознавание малоконтрастных объектов интереса в условиях низкой освещенности на основе нейросетевых алгоритмов и данных о поляризации световых волн Компьютерная оптика, Журнал "Компьютерная оптика", 2026, № 50-1. (год публикации - 2026)

8. Исследование интеллектуального адаптивного алгоритма управления на базе метода обучения с подкреплением Исследование интеллектуального адаптивного алгоритма управления на базе метода обучения с подкреплением Известия ЮФУ. Технические науки, Карапеев А.Н., Косенко Е.Ю., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х. Исследование интеллектуального адаптивного алгоритма управления на базе метода обучения с подкреплением. Известия ЮФУ. Технические науки. № 2, 2025. С. 162 – 175. (год публикации - 2025)