dr in. Józef Maecki mgr in. Marcin Szulc
Akademia Marynarki Wojennej
WYBRANE PROBLEMY WIZUALIZACJI RUCHU POJAZDU
PODWODNEGO W SYMULATORZE
Proces precyzyjnego sterowania bezzaogowym pojazdem podwodnym wymaga od operatora staego monitorowania jego pooenia i ruchu. Prezentowany w referacie program symulacyjny zapewnia operatorowi na okrcie zobrazowanie pozycji i ruchu statku gbinowego wzgldem okrtu-matki i wzgldem dna akwenu oraz jego usytuowania i ruchu w toni morskiej. W referacie przedstawiono problem trójwymiarowego zobrazowania na ekranie komputerowym pooenia zdalnie sterowanego statku gbinowego.
SELECTED PROBLEMS OF VISUALISATION OF MOTION OF UNDERWATER VEHICLE IN SIMULATION PROGRAM
In the paper hardware and software description of the virtual visualisation module of the simulator of ship stand of control of unmanned underwater vessel’s motion is presented. A technology of processing of digital hydrographical data for 3D presentation of a shape of the sea bottom and navigational obstacles in the undersea space using GIS software is described.
1. WPROWADZENIE
Wspóczenie bezzaogowe pojazdy-roboty gbinowe w stay si wanym elementem badania przestrzeni podwodnej. Staj si te wanym narzdziem sucym do wykonywania prac podwodnych w rónorodnych dziedzinach dziaalnoci czowieka na morzu. Jednym z podstawowych zada, jakie s realizowane przez pojazd-robot gbinowy jest celowe przemieszczanie si z pooenia pocztkowego do okrelonego pooenia kocowego. Ostatnimi laty w literaturze przedmiotu mona znale si wiele publikacji dotyczcych problematyki sterowania zdalnymi i autonomicznymi statkami i robotami gbinowymi [1, 2, 4, 10, 11].
Wród wielkiej gamy rónorodnych rodków technicznych sucych do eksploracji gbin morskich znaczc rol odgrywaj roboty podwodne (ang. URV – Underwater Robotic Vehicle). Tego typu bezzaogowe, zdalnie sterowane pojazdy-roboty pywajce, wyposaone w napd i posiadajce zdolnoci manewrowe, projektowane s w celu zastpowania pracy nurków i wykonywania ich zada, na gbokociach nawet do kilku tysicy metrów [5, 6]. Za kontrol pracy wszystkich urzdze pojazdu-robota odpowiada system sterowania, który sprawuje nadzór, poczynajc od napdu, a koczc na przeczaniu sensorów i aktuatorów. W ukadzie sterowania takim pojazdem-robotem funkcje regulatora w torze sprzenia zwrotnego spenia najczciej operator. Pilotowanie URV nie jest spraw atw i wymaga duej wprawy oraz wielu godzin praktyki i dlatego buduje si symulatory bezzaogowych pojazdów podwodnych. Przy budowie ich podstawowym problemem jest modelowanie dynamiki pojazdu, dla którego budowany jest symulator.
W Instytucie Elektrotechniki i Automatyki Okrtowej Akademii Marynarki Wojennej od kil-kunastu lat prowadzone s prace nad budow i integracj sprztowo-programow symulatora stanowiska sterowania bezzaogowym pojazdem-robotem gbinowym [5]. Symulator skada si ze stanowiska gównego - serwera systemu, pozwalajcego na kierowanie przebiegiem misji podwodnej i ze stanowisk operatorskich - terminali, zawierajcych specjalistyczne oprogramowanie uytkowe, pozwalajcych na szkolenie operatorów pojazdów-robotów podwodnych – rys. 1.
Rys.1. Struktura stanowiska symulatora ruchu maego robota podwodnego
2. MODEL MATEMATYCZNY POJAZDU-ROBOTA GBINOWEGO
Aby dokona opisu dynamiki pojazdu-robota jego przemieszczanie przedstawia si jako ruch ciaa sztywnego o 6 stopniach swobody w trójwymiarowym ukadzie wspórzdnych kartezjaskich. Do opisu dynamiki przyjmuje si dwa ukady wspórzdnych – rys. 2: ruchomy zwizany z kadubem pojazdu-robota i stay wzgldem rodka Ziemi [4, 11].
Rys. 2. Ukady odniesienia wspórzdnych kartezjaskich oraz notacja przyjta do opisu precyzyjnego ruchu pojazdu-robota: O0X0Y0Z0 – ukad zwizany z pojazdem-robotem, OXYZ – ukad zwizany z Ziemi, [u w] – wektor prdkoci liniowych,
Tak przyjte ukady umoliwiaj opis ruchu pojazdu-robota gbinowego za pomoc ukadu równa kinetycznych i kinematycznych. Równania kinetyczne, opisujce dynamik pojazdu-robota w ukadzie zwizanym ze z kadubem pojazdu oraz równania kinematyczne okrelajce geometryczne wasnoci ruchu w ukadzie zwizanym z Ziemi przedstawia poniszy ukad równa róniczkowych (1) [4]:
>
@
0 M 0 ) ( J 0 D ) ( C M 1 » » ¼ º « « ¬ ª » ¼ º « ¬ ª » » ¼ º « « ¬ ª » ¼ º « ¬ ª 1 (1) gdzie:M – macierz si bezwadnoci pojazdu-robota,
C(v) – macierz grupujca siy odrodkowe i siy Coriolisa,
D – macierz tumienia hydrodynamicznego,
J() – macierz transformacji,
>
@
T r , q , p , w , , uX – wektor prdkoci liniowych i ktowych w ukadzie zwizanym z pojazdem-robotem,
>
x,y,z, , ,@
TIT\ – wektor pooenia i orientacji pojazdu-robota w ukadzie zwizanym z Ziemi,
>X,Y,Z,K,M,N@T
– wektor sterowa pojazdu-robota .
3. SYSTEM STEROWANIA POJAZDU-ROBOTA W SYMULATORZE
Gównym zadaniem systemu sterowania pojazdu-robota w symulatorze jest zapewnienie dokadnego poruszania si statku wzdu zadanej trajektorii ruchu w warunkach niepenej biecej informacji o stanie obiektu sterowania. Dla zdalnie sterowanego pojazdu-robota gbinowego podstawowym ruchem jest przemieszczanie si w paszczynie poziomej z niewielkimi zmianami w paszczynie pionowej (ruch w czterech stopniach swobody z maymi ktami koysa wzdunych i bocznych). Std te celowym jest rozpatrywanie jego ruchu przestrzennego jako zoenia dwóch przemieszcze: ruchu paskiego w paszczynie poziomej i ruchu w paszczynie pionowej [2, 6, 10, 11].
System sterowania w symulatorze zaprojektowano przy zaoeniu, e:
pojazd-robot porusza si ze zmiennymi prdkociami liniowymi u, , w i prdkoci ktow r;
wielkociami dostpnymi pomiarowo s: pooenie pojazdu-robota x, y, z i kurs ; sygnaem sterujcym jest wektor > @T
N Z Y X, , ,
, którego skadowe oznaczaj odpowiednio: si w kierunku osi wzdunej X0, poprzecznej Y0i pionowej Z0 oraz moment obracajcy wokó osi pionowej N0.
Rys. 3. Struktura systemu sterowania pojazdu-robota w symulatorze
3.1. Zasada sterowania rozmytego
Regulator w logice rozmytej jest rodzajem systemu ekspertowego na bazie wiedzy, który zawiera algorytm sterowania zapisany w postaci prostej bazy regu. Wiedza zakodowana w bazie regu jest wyprowadzona zarówno na podstawie ludzkiego dowiadczenia oraz intuicji jak i teoretycznego i praktycznego zrozumienia dynamiki obiektu sterowanego. Nierozmyty algorytm sterowania uzyskiwany jest w wyniku przeksztacenia wiedzy wpisanej w baz regu w procesie wnioskowania przyblionego [3, 4, 9].
Do realizacji zadania sterowania statkiem gbinowym wybrany zosta regulator rozmyty typu PD [6] pracujcy w ukadzie przedstawionym na rys. 4.
Rys. 4. Schemat blokowy regulatora rozmytego ze sprzeniem: Kz – wielko zadana, e(k) – uchyb sygnau e(k) Kz K(k), 'e(k) – zmiana uchybu sygnau
) 1 ( ) ( ) ( 'e k e k e k
Dla zmiennych wejciowych e i e regulatora rozmytego oraz sygnau sterujcego i zostay dobrane funkcje przynalenoci przedstawione odpowiednio na rys. 4. Znaczenie symboli przyjtych do opisu zmiennych lingwistycznych jest nastpujce:
U – ujemne, Z – zero, D – dodatnie, M – mae, S – rednie, D – due. W tab. 1 zostay przedstawione reguy sterowania opracowane na podstawie standardowej bazy regu Mac Vicar-Whelana [3, 6].
Tab. 1. Baza regu regulatora rozmytego
uchyb e UD US Z DS DD U UD US UM Z DM Z US UM Z DM DS zmiana uchybu 'e D UM Z DM DS DD sygna sterujcyW
3.2. Opis ogólny symulatora
Symulator ruchu maego pojazdu-robota podwodnego moe wspópracowa z okrtowym systemami dowodzenia oraz innymi systemami wykorzystujcymi jako wejcia informacyjne róda danych nawigacyjnych i hydrolokacyjnych. W symulatorze wszystkie dane wejciowe i wyjciowe speniaj standardy transmisji znakowej okrelone wymogami NMEA 0183 oraz RS-232. Wszystkie dane pozyskiwane z sensorów oraz terminali s przesyane do systemowej bazy danych w serwerze systemu, które po zobrazowaniu na ekranie komputera zapewniaj prowadzcemu wiczenie czytelny obraz sytuacji, w jakiej pracuj poszczególne terminale [5].
Do podstawowych funkcji symulatora naley zaliczy:
akwizycj i archiwizowanie danych uzyskiwanych z rzeczywistych róde hydrolokacyjnych w bazie danych,
moliwo generacji dowolnej sytuacji podwodnej i archiwizowanie jej w bazie danych, zobrazowanie sytuacji podwodnej uzyskanej z bazy danych systemu na ekranie monitora
komputerowego,
zapewnienie powtarzalnoci sytuacji podwodnej dla celów szkoleniowych i analizy sytuacji nawigacyjno-taktycznej.
Na rys. 5 przedstawiono ide rozwizania laboratoryjnej wersji symulatora sytuacji podwodnej. Realizacja zaoonych funkcji systemu wymusia dobór waciwej platformy sprztowej i programowej. Oprogramowanie systemowe zostao wzbogacone o procedury, uwzgldniajce obieg informacji w ramach zaproponowanej struktury systemu symulacyjnego. Uyty do realizacji sprzt komputerowy jest jednorodny pod wzgldem styku operatora z systemem – standard OSF/Motif na bazie X-Window. Komunikacja pomidzy poszczególnymi stanowiskami symulatora spenia standard TCP/IP, realizujc model klient-serwer.
Rys. 5. Struktura techniczna zintegrowanego laboratoryjnego stanowiska symulatora
4. ZARYS TECHNOLOGII PRZESTRZENNEGO ZOBRAZOWANIA TONI PODWODNEJ W SYMULATORZE
Dane pomiarowe uzyskane podczas prac echosondaowych przechowywane s w plikach tekstowych, zawierajcych informacje o kolejnych pozycjach okrtu i pomierzonych gbokociach przydatnych dla sterowania pojazdem-robotem podwodnym.
Z pliku tekstowego, dla kadej z echosond naley wydoby informacj o zmierzonych gbokociach i pozycjach okrtu odpowiadajcych temu pomiarowi. Dane te czy si na podstawie informacji o czasie pomiaru, która znajduje si w kadym wierszu. Dla potrzeb programu ARC/INFO dla kadej z echosond trzeba stworzy dwa pliki, z których jeden zawiera kolejne pozycje okrtu podczas pomiarów a drugi, kolejne, zmierzone gbokoci. Kady wiersz musi zaczyna si od indeksu pozwalajcego powiza dane z obu plików. W programie ARC/INFO na podstawie pliku z pozycjami okrtu tworzymy warstw punktów. Kady z punktów jako identyfikator bdzie posiada numer indeksu z pliku. Z pliku gbokoci tworzy si tabel, w której pierwsza kolumna zawiera numery indeksów, a druga wartoci gbokoci. Nastpnie docza si dane z tabeli do warstwy punktów, wic odpowiednie wiersze na podstawie indeksów. Do dalszej interpretacji danych naley uy programu ArcView GIS z rozszerzeniem 3D Analyst. Wczytuje si do niego warstw punktów z informacj o gbokociach i generuje si, na jej podstawie, siatk trójktów (TIN) [7, 8].
W celu uzyskania obrazu trójwymiarowego, naley w programie ArcView otworzy widok 3D i wczyta do niego wygenerowan siatk trójktów. Nastpnie, w tzw. waciwociach widoku, okrelamy rodzaj interpretacji danych. Najciekawszymi i posiadajcymi najwikszy adunek informacyjny s otrzymywane zobrazowania kolorowe, z palet barw, cile
Opracowane rodowisko sprztowo-programowe moduu zobrazowania symulatora okrtowego stanowiska sterowania bezzaogowym statkiem gbinowym poddawane jest obecnie funkcjonalnym próbom i testom laboratoryjnym. Zebrane dowiadczenia z zakresu trójwymiarowego zobrazowania przestrzeni podwodnej na podstawie danych z echosonday w peni potwierdzaj ich przydatno do szkolenia operatorów pojazdów-robotów podwodnych.
Rys. 6. Zobrazowanie trójwymiarowe ilustrujce fragment rynny toru wodnego, wywietlajce siatk trójktów (TIN)
Rys. 7. Zobrazowanie identycznego, jak na rys. 6, fragmentu toru wodnego, z zastosowaniem jednobarwnej tekstury i wiato-cienia
Obraz widziany na ekranie przez operatora wiczcego na symulatorze przedstawia rys. 8 [5].
Rys. 8. Wygld ekranu symulatora podczas pracy
W celu wiernego oddania warunków pracy operatora zastao stworzone wirtualne rodowisko 3D, w którym pojazd moe si porusza a operator ma moliwo wykonywania pewnych zada. Sterowanie pojazdem odbywa si poprzez wychylanie drka dwóch manipulatorów-joysticków. Jeden z nich odpowiada za zadawanie naporów wzdu osi X, Y, drugi za odpowiada za zadawanie naporu wzdu osi Z.
5. PODSUMOWANIE
W Instytucie Elektrotechniki i Automatyki Okrtowej Akademii Marynarki Wojennej zrealizowano model laboratoryjny symulacyjnego systemu zobrazowania ruchu pojazdu-robota podwodnego, sterowanego drog przewodow [5]. Oprogramowanie uytkowe systemu zobrazowania jest przeznaczone do zapewnienia skutecznego podgldu sytuacji nawigacyjno-taktycznej pojazdu na konsoli operatorskiej i suy do szkolenia operatorów, którzy w przyszoci bd sterowa rzeczywistymi statkami gbinowymi. Std te przeprowadzone prace projektowe i programowe zrealizowane w ramach konstruowania moduu symulatora ukierunkowane byy na ich przysze wykorzystanie dla potrzeb szkolenia pilotów-operatorów podwodnych pojazdów-robotów.
LITERATURA
1. Bhattacharyya R., Dynamics of Marine Vehicles. John Wiley and Sons, Chichester 1978. 2. Craven J., Sutton R, Burns, R. S., Control Strategies for Unmanned Underwater Vehicles.
Journal of Navigation, No. 51, 1998, pp. 79-105.
3. Driankov D., Hellendoorn H., Reinfrank M., Wprowadzenie do sterowania rozmytego, WNT, Warszawa, 1996.
4. Fossen T. I.: Marine Control Systems. Marine Cybernetics AS, Trondheim 2002. 5. Garus J., Maecki J. i inni, Sprawozdanie z pracy nb. p.k. Oko. Gdynia AMW 2007. 6. Garus J., Dynamical Control of Motion of Underwater Vehicle in Horizontal Plane. Proc.
of the 8th IEEE Int. Conf. on Methods and Models in Automation and Robotics MMAR ’02, Szczecin 2002, pp. 891 – 896.
7. Litwin L., Myrda G., Systemy informacji geograficznej. Zarzdzanie danymi przestrzennymi. Gliwice Wydawnictwo Helion 2005.
8. Morain S., Baros S. L., Raster Imaginery in Geographic Information Systems. New York on Words Press 1996.
9. Rutkowska D., Piliski M., Rutkowski L., Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i systemy rozmyte, PWN, Warszawa, 1999.
10. Spong M. W., Vidyasagar M., Dynamika i sterowanie robotów. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1997.
11. Yoerger D.R., Slotine J.E., Robust Trajectory Control of Underwater Vehicles. IEEE Journal of Oceanic Engineering, No. 4, 1985, pp. 462-470.
