Downloads & Free Reading Options - Results

Введение.  Управление подводными робототехническими комплексами (ПРК) осложняется такими факторами, как инерция, стохастические возмущения и отсутствие навигационной инфраструктуры. Существующие подходы к моделированию и прогнозированию поведения ПРК характеризуются слабой интеграцией или отсутствием интеграции данных с реальных датчиков в режиме реального времени. Устранение этого пробела в комплексных решениях позволяет объединить физические модели, цифровые двойники и визуализацию. Перспективным инструментом для преодоления указанных ограничений является цифровой двойник (ЦД), обеспечивающий точное цифровое представление объекта за счет интеграции данных с физических датчиков и математических моделей. Целью представленного исследования является разработка метода прогнозирования динамики ПРК с использованием цифрового двойника для повышения эффективности автономного управления. Материалы и методы.   Основой исследования стала разработка математической модели движения подводного робототехнического комплекса. Она включала дифференциальную кинематику, моделирование сопротивления среды и динамики вращения. Для сбора и обработки данных использовались следующие датчики: инкрементальные энкодеры, трёхосевой акселерометр и гироскоп. Для управления движением по каждой оси использовался пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор. Для визуализации и тестирования модели использовалась игровая среда Unity. С её помощью был создан модуль цифрового двойника с возможностью отображения состояния системы в реальном времени. В качестве программного обеспечения для низкоуровневого программирования использовалась платформа Arduino IDE, а для анализа данных и построения графиков – MATLAB и Python. Результаты.   Для верификации модели были проведены эксперименты на физической модели. Проведено сравнение с моделированием поведения объекта в виртуальной среде. Представлены графики расхождений физической и моделированной траекторий. Рассчитаны статистические метрики, характеризующие точность цифрового двойника. Максимальное отклонение по координатам не превысило 5,3 мм, среднее угловое отклонение составило 3,5°. Это подтвердило надежность и практическую применимость предложенной модели для автономного управления робототехническим комплексом. Также установлено, что средняя погрешность по оси X составила 3,11 мм, по оси Y — 2,92 мм. Средняя погрешность по углу Z — 1,8°. Время отклика составило менее 10 мс. Устойчивость цифрового двойника к незначительным колебаниям данных обеспечивалась сглаживанием входных данных, устойчивостью системного регулятора и адаптацией модели к калибровочным значениям в начале каждого цикла. Обсуждение и заключение.   Цифровые двойники подходят для предиктивного управления и мониторинга объекта в условиях неопределенности. Предложенный подход может быть масштабирован для различных типов робототехнических систем, работающих в агрессивных и плохо предсказуемых условиях. Дальнейшие исследования в этом направлении могут быть связаны с внедрением адаптивных и нейросетевых методов управления.