автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Управление гидропланом в неоднородном по глубине течении

кандидата технических наук
Уланов, Андрей Владимирович
город
Санкт-Петербург
год
2006
специальность ВАК РФ
05.08.01
цена
450 рублей
Диссертация по кораблестроению на тему «Управление гидропланом в неоднородном по глубине течении»

Автореферат диссертации по теме "Управление гидропланом в неоднородном по глубине течении"

На правах рукописи

Уланов Андрей Владимирович

УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОПЛАНОМ В НЕОДНОРОДНОМ ПО ГЛУБИНЕ ТЕЧЕНИИ

Специальность: 05.08.01 Теория и строительная механика корабля

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете (190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор . В.Б. Диомидов

доктор технических наук,

профессор

В. А. Рыжов

кандидат технических наук, В.А. Зуев

Ведущее предприятие: ФГУП ЦНИИ «Мортеплотехника».

Защита диссертации состоится f9.i2.0S /К на заседании диссертационного совета Д 212.228.01 по присуждению учёных степеней доктора техлических наук при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете (СПбГМТУ) по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Санкт-Петербургского Морского Технического Университета. Отзывы просим отправлять в отдел учёного секретаря университета в двух экземплярах, заверенных печатью.

Г/.//.

Автореферат разослан _ <ТЪ-77« 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор технических наук, профессор

А.И. Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время существует большая потребность в разработке обладающих большой автономностью носителей океанографической аппаратуры. Раньше эти задачи выполнялись при помощи дрейфующих станций, однако они не обладают средствами для собственного передвижения и управляются только по глубине, что ограничивает их функциональность. Поэтому более широкое применение для задач сбора информации получают автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). Автономность существующих образцов АНПА пока что достаточно низка, что требует частую их смену на дежурстве.

Изложенные положения выводят на первый план задачи повышения автономности таких аппаратов. Для удовлетворения этих требований в настоящем исследовании рассматривается аппарат типа «гидроплан».

Актуальность данной работы состоит в том, что в ней описывается информационное обеспечение процесса управления гидропланом, включающая специализированную пространственную модель движения, методы его навигации в присутствии неоднородного течения и методы исследования его движения при наличии множества критериев.

В научной литературе методы моделирования динамики, определения местоположения и повышения эффективности гидроплана ещё не получили достаточной проработки. Это даёт основания для вывода о том, что необходима выработка специализированных способов исследования движения гидроплана. Все это определило выбор темы диссертации, основную цель и исследовательские задачи.

Научные концепции автора, нашедшие выражение в настоящем исследовании сформировались, в основном на базе научных работ М.Д. Агеева, В.М. Гаврилова, Б.Б. Шереметова, B.C. Ястребова, R. Davis, D.M. Fratantoni, С. Jones, С. Eriksen, K.Kawaguchi, R. Light, P. Simonetti, U.Tamaki, D.C.Webb.

Цель настоящей работы состоит в разработке способов управления движением гидроплана в срсде с неоднородным по глубине течением.

Реализации поставленной цели служат следующие задачи исследования:

1. Обоснование целесообразности и актуальности использования гидроплана для океанографических задач.

2. Обзор существующих аналогов, выполняемых ими задач и пути их совершенствования.

3. Обзор существующих методов исследования управляемого движения гидроплана и их анализ.

4. Разработка пространственной динамической модели управляемого движения гидроплана.

5. Синтез приближённых аналитических решений для отдельных режимов движения аппарата.

6. Разработка методов измерения параметров движения аппарата в неоднородном по глубине течении.

7. Выработка способов определения параметров системы управления гидроплана при наличии множества критериев его функционирования.

8. Применение разработанных способов к задаче обследования заданной территории.

Объектом исследования выступает планирующий подводный аппарат, называемый гидропланом.

Предмет исследования — управляемое движение гидроплана, которое имитируется при помощи пространственной математической модели движения гидроплана.

Научная новизна исследования:

1. Для моделирования движения гидроплана предложено использовать кинематические соотношения на основе направляющих косинусов.

2. Разработана пространственная математическая. модель движения гидроплана в неоднородном по глубине течении.

3. Выведены приближенные аналитические выражения для определения параметров установившегося режима движения гидроплана и участка смены знака плавучести.

4. Разработаны методы навигации гидроплана в неоднородном по глубине течении.

5. Предложен способ определения параметров системы управления гидроплана при наличии множества критериев его функционирования. Методы исследования. При разработке основных положений

диссертационной работы используются методы математического моделирования и системного анализа. На защиту выносятся:

— пространственная математическая модель динамики гидроплана в среде с неоднородным течением;

— аналитические выражения для определения параметров установившегося режима движения аппарата и участка смены знака плавучести;

— методы определения местоположения гидроплана в среде с неоднородным течением;

— метод критериальных уровней, позволяющий исследовать движение гидроплана при наличии множества критериев;

Научно-практическая ценность диссертационного исследования заключается в том, что результаты, полученные в диссертационной работе, могут использоваться при проектировании исследовательского гидроплана, в

том числе и при разработке алгоритма управления им.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР кафедры «Системы автоматического управления и бортовая вычислительная техника» Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета.

Результаты работы внедрены и используются в ЗАО «Аквамарин» (г. Санкт-Петербург). Научные результаты используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного морского технического университета по курсу «Проектирование систем автоматического управления подводными аппаратами».

Апробация исследования. Основные положения и выводы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных, российских и региональных научных конференциях, в частности:

1. Четвёртой конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2002 г.

2. Международном конгрессе «Молодежь и наука, 3-е тысячелетие», Москва, 15-19 апреля 2002 г.

3. Межвузовской научной конференции «Основные направления эксплуатации корабельной техники и тенденции совершенствования инженерного образования», Санкт-Петербург, 24 мая 2002 г.

4. Шестой международной конференции «Прикладные технологии ' гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, 28 - 31 мая 2002 г.

5. Третьей международной конференции по судостроению 18С2002, Санкт-Петербург, 8-10 октября 2002 г.

6. Пятой конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2003 г.

7. Двенадцатой Санкт-Петербургской Международной конференции по интегррированным навигационным системам., 23-25 мая 2005 г.

Публикации.

По основным результатам диссертационного исследования автором опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка используемой литературы (77 источников). Объём работы составляет 143 страницы основного текста. Работа содержит 32 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, и формулируется её цель.

Глава 1. Анализ методов исследования движения гидропланов

В первой главе обосновывается необходимость развития автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) для проведения мониторинга заданного водного пространства. Даётся краткая историческая справка развития АНПА и приводятся примеры разрабатываемых в настоящее время аппаратов. Далее приводятся задачи, выполняемые данными аппаратами и список задач, которые должен выполнять АНПА. Делается вывод о том, что использование АНПА для исследовательских задач является перспективным, и предлагается нетрадиционный тип АНПА, называемый гидропланом.

Гидроплан представляет собой планер без традиционного пропульсивного комплекса, осуществляющий движение в воде по наклонной траектории за счёт действия силы знакопеременной плавучести.

Область применения гидроплана лежит в сфере задач, требующих от носителя аппаратуры большой автономности, при его относительно небольшой стоимости. В данной работе рассматривается его применение в качестве средства измерения физических полей в заданном районе Океана.

Далее в главе 1 выполняется обзор существующих гидропланов: SLOCUM и Seaglider. Эти аппараты имеют горизонтальную скорость, равную 0.5 м/с, что недостаточно для преодоления сильных течений. Их алгоритмы навигации требуют всплытия после каждого цикла и не учитывают неоднородность течения по глубине.

Делается вывод, что существует необходимость в увеличении скорости их движения и улучшении алгоритмов определения местоположения аппаратов с целью повышения точности позиционирования аппарата.

Затем рассматриваются способы исследования движения гидропланов.

В работах, посвящённых исследованию неустановившегося движения аппарата (Скобов Д.П., Шереметов Б.Б., N. Leonard), не рассматривается воздействие неоднородного потока на его динамику. Разделение уравнений на движение в двух плоскостях, как это делается во многих классических работах, посвящённых движению подводных объектов, в данном случае не всегда оправдано, так как при повороте гидроплана углы дифферента и крена, в общем случае, могут принимать достаточно большие значения, и движение становится сугубо пространственным.

Линеаризация уравнений корректна только в том случае, если соблюдается условие постоянства линейной скорости и малости углов атаки и дрейфа. Это условие не выполняется в период смены знака плавучести.

Несмотря на то, что угол атаки, как правило, в такие моменты не должен быть слишком большим, скорость может изменяться достаточно быстро.

При исследовании движения гидроплана часто возникает ситуация, когда имеется множество критериев. оценки качества его функционирования. Во многих работах в качестве метода многокритериальной оптимизации используется свёртка всех критериев в один интегральный. Это не всегда обосновано по причине сложности определения весовых коэффициентов. Возникает потребность в новом способе исследования функционирования гидроплана.

Выводы по главе 1.

1) Описан принцип действия гидроплана и выполнен анализ его применимости к задачам исследования акватории;

2) Выполнен сравнительный анализ существующих на текущий момент гидропланов. Сделан вывод о том, что скорости движения 0.5 м/с недостаточно для гарантированного преодоления течений в Океане. Также сделан вывод о том, что существующие алгоритмы определения гидропланом своего местоположения могут не удовлетворять требованиям по точности позиционирования;

3) Рассмотрены и проанализированы существующие математические модели гидроплана и сделан вывод о необходимости синтеза специализированной пространственной математической модели гидроплана и применении нестандартного способа исследования его движения в присутствии множества критериев;

Глава 2 Математическое описание движения гидроплана в условиях неоднородного поля течения

В главе 2 выводятся пространственная модель и аналитические выражения для отдельных режимов движения гидроплана.

В п. 2.1.1 вводятся 4 системы координат (неподвижная, связанная, полусвязанная и скоростная) и описываются кинематические соотношения, позволяющие пересчитать проекции вектора линейной и угловой скоростей аппарата между неподвижной и связанной, и между связанной и скоростной системами координат. В результате сравнения различных способов задания ориентации одной системы координат относительно другой (углов Эйлера, кватернионый, направляющие косинусы) в качестве таковых были выбраны направляющие косинусы и выведены соотношения, необходимые для использования в динамической модели.

В п. 2.1.2 и 2.1.3 строится математическая модель пространственного неустановившегося движения гидроплана. В модели гидроплан представляется, как аппарат с осесимметричным корпусом, имеющий крыло, горизонтальный и вертикальный стабилизаторы, вертикальный руль, систему поворота крыла

вокруг своей оси и систему смещения центра тяжести вдоль осей х а у (см. рис. 1).

о

01__

Рис. 1 Внешний вид гидроплана.

Динамические уравнения выводятся из основного закона динамики и выражений для кинетической энергии твёрдого тела и жидкости. В результате получаются шесть обыкновенных дифференциальных уравнений,

определяющих зависимость величин —— и -— от вектора состояния

Л Л

аппарата. Эти уравнения действительны для движения любого осесимметричного тела в жидкости. Величина - скорость аппарата в связанных осях. В уравнениях учитывается изменение импульса аппарата при перемещении центра тяжести, что не учитывалось в предыдущих работах. Это уточнение модели может быть существенно при постоянном управлении при помощи центра тяжести.

Во многих классических работах, ввиду того, что собственная скорость аппарата намного превышает скорость течения и последняя — практически постоянна, считалось, что влиянием потока на динамику аппарата можно пренебречь. Однако если принять во внимание, что гидроплан движется по

пилообразной траектории и постоянно меняет глубину, то получится, что в каждый момент времени он находится в поле с разной скоростью течения. Это приводит к тому, что на аппарат действуют дополнительные силы и моменты, связанные с неоднородностью потока. Воздействие неоднородного потока можно условно разделить на инерционную и вязкостную составляющие.

Инерционная составляющая учитывается при предположении, что поток в окрестностях аппарата можно считать линейно-изменяющимся и стационарным. Тогда становится возможным использовать подход расчёта инерционных сил и моментов воздействия неоднородного потока, предложенный в работах C.B. Шкадовой и М.Д. Хаскинда.

Вязкостная составляющая воздействия неоднородного потока входит во внешние силы и моменты и учитывается следующим образом. При переходе аппарата из слоя в слой его нос находится в слое с одной скоростью течения (характеризуемой 3-х мерным вектором 2), а корма — в слое с другой

скоростью. В силу относительной малости — (п — вертикальная координата),

drj

можно считать, что поле течения по длине аппарата изменяется линейно. Получается, что каждый элементарный участок длины аппарата имеет разную абсолютную скорость и углы атаки и дрейфа. Это вызывает дополнительные моменты по осям у и z . В работе выводятся формулы для их определения:

=^(с,(«ь)-ц, - A«W +3-<£- Да™, v] A»L)

-Ли— - ДА. -tf + 5-С? ■ -AUL) где и0,а0> /?0, — скорость и углы атаки и дрейфа в центре величины;

максимальные значения добавок к скорости и к углам атаки и дрейфа, формулы для определения которых приведены в работе.

В п. 2.1.4 производится определение присоединённых масс гидроплана. Отдельно определяются присоединённые массы для осесимметричного корпуса и для несущих плоскостей, которые представляют собой крыло, стабилизаторы и руль.

В п. 2.1.5 выводятся выражения для внешних сил и моментов, находящихся в правых частях уравнений динамики. Они состоят из гидродинамических, статических и уже упомянутых воздействий неоднородного потока. Статическая сила представляет собой силу плавучести, а статический момент вызван несовпадением центра тяжести и центра величины аппарата. Гидродинамические силы и моменты рассчитываются при помощи методов экспериментальной гидродинамики и пересчитываются из скоростных осей в связанные.

В п. 2.1.6 определяются значения вязкостных сил и моментов, действующих на аппарат. Эти силы традиционно раскладываются на позиционные (вызванные поступательным движением) и демпфирующие (вызванные вращением). Для определения позиционных сил и моментов используется стандартная для гидродинамики формула следующего вида: ^ху.=0.5-сж„.-р-3-и2 и А/,,. = 0.5 • т1уА ■ р-3-и1. Для определения вращательных

- =^с^ио, . ур5ог и Мху. . Однако, такой подход

справедлив только в случае, если линейные скорости всех точек тела, вызванные вращением малы по сравнению с линейной скоростью полюса аппарата.

Для аппаратов, движущихся с большой скоростью (десятки метров в секунду), это допустимо, однако для гидроплана, скорость которого может быть весьма мала, линеаризация может оказаться некорректна. Более правильным оказывается описываемый ниже, более общий, подход.

При вращении аппарата в каждой его точке возникают местные линейные скорости жидкости, нормальные к продольной оси аппарата и численно равные произведению угловой скорости на расстояние до рассматриваемой точки. Для некоторой точки В изменение модуля вектора и его направления равны:

- для продольной плоскости: Ди = ео,х„, Да- • " ;

„ сих,

- для горизонтальной плоскости: ди = а> х., ДР=——;

и

Тогда получается, что во все выражения для сил и моментов необходимо подставлять не настоящую скорость и и угол атаки а, а их модифицированные значения и+Ди и а+Дог.

Единственной причиной, препятствующей этому, является сложность определения точки приложения демпфирующей силы для корпуса аппарата х„. Часто, вместо х„ приводятся значения вращательных производных. Вследствие того, что вращательные производные являются единственными доступными данными о влиянии вращения на динамику аппарата, в данной модели применяется следующий подход: для корпуса используются традиционные выражения, т.е. сложение позиционных и вращательных воздействий, а для несущих поверхностей — подстановка вместо и величины и+Аи, а вместо а — а + Аа. В случае, если положение центра давления неизвестно, в качестве хв можно в первом приближении использовать геометрический центр поверхности, так как, как правило, ширина поверхности, по сравнению с её отстоянием от центра аппарата, мала.

Также в выражениях внешних сил и моментов моделируются процессы управления гидропланом, что вызывает необходимость в отдельном расчёте углов атаки и дрейфа для каждого из элементов, включающих в себя корпус,

поворачиваемое крыло, вертикальный руль и горизонтальный и вертикальный стабилизаторы.

В п. 2.1.7 приводится пример определения гидродинамических характеристик аппарата типа ЗЬОСЦМ. Особое внимание уделено учёту сложного характера зависимости коэффициента лобового сопротивления от числа Рейнольдса.

В п. 2.2 выводятся аналитические выражения для установившегося режима движения гидроплана, которые могут быть необходимы, если требуется быстро определить параметры движения гидроплана в продольной плоскости, не моделируя его движение. Ставится задача определения модуля скорости и, угла дифферента в и угла атаки а, зная силу избыточной плавучести и моменты по осям х и у. Решение этой задачи получается путём приравнивания нулю внешних сил, действующих на аппарат и решения получившейся системы из трёх алгебраических уравнений. Также решается и обратная задача, а именно: определение силы избыточной плавучести и одного из моментов по заданным кинематическим параметрам (скорость и угол планирования) и другому моменту.

В п. 2.2.3 рассматривается движение гидроплана во время изменения знака плавучести. В этом режиме имеет значение только перезаглубление аппарата, т.е. разность между действительной максимальной глубиной аппарата и глубиной, на которой началось переключение плавучести. В результате была

выведена следующая формула для определения перезаглубления: дН где

и,0 — вертикальная скорость в момент начала переключения плавучести; Г — время, затрачиваемое системой изменения плавучести на то, чтобы изменить плавучесть с максимального значения до нуля. Моделирование показало, что при модуле скорости меньше 2 м/с результаты, полученные по этой формуле, практически не отличаются от результатов имитационного моделирования.

Выводы по главе 2.

1. Произведены следующие изменения в динамической модели движения подводного аппарата:

- составлены кинематические соотношения между связанной и неподвижной системой координат на основе направляющих косинусов;

- рассмотрена возможность управления гидропланом путём поворота крыла и вертикального руля, для чего соответствующие местные углы атаки и дрейфа рассчитываются отдельно;

— учитывается изменение импульса аппарата при перемещении центра тяжести.

— учитывается влияние стационарного и неоднородного по длине аппарата поля течения;

2. Приведены приближённые аналитические выражения для установившегося участка движения и для участка изменения плавучести. После численного моделирования было установлено, что при смещении ЦТ хс =-0.004м, и силе плавучести = 2.25 Н выведенные выражения действительны для скоростей аппарата не более 2 м/с.

3. Произведено численное моделирование движения гидроплана. При сравнении различных способов поворота гидроплана было получено, что при использовании вертикального руля радиус поворота составляет 156 м, при использовании поворота крыла — 219 м и при использовании смещения центра тяжести — 87 м. После проведения анализа движения гидроплана в неоднородном поле течения получено, что при производной скорости течения

по глубине, равной 0,01 скорость циркуляции гидроплана составляет

м

0.5" ¡сек.

Глава 3 Организация управляемого движения гидроплана в присутствии течений

Глава 3 посвящена организации управляемого движения гидроплана в присутствии течений, неоднородных по глубине.

В п. 3.1 выполнен анализ существующих методов определения местоположения аппарата, приведен анализ существующих приборов и их точностей и сделаны следующие выводы:

1) Существующие гидропланы определяют своё местоположение только при всплытии, позиционируясь по спутниковой навигационной системе. При определении местоположения гидроплана под водой скорость течения принимается постоянной, в результате чего возникает погрешность в определении местоположения аппарата между всплытиями. В то же время, при длительных интервалах между всплытиями ошибка может оказаться слишком значительной. К тому же, при функционировании подо льдом всплытие для корректировки данных о местоположении становится вообще невозможным. Наконец, если известно распределение скорости течения по глубине, становится возможным оптимизировать движение гидроплана таким образом, чтобы он использовал для движения слои с попутным течением и миновал слои со встречным. Эти факторы вызывает необходимость определения стратификации поля течения по глубине.

2) В результате анализа методов навигации сделан вывод, что для случая гидроплана наиболее подходящим является метод навигационного счисления, когда координаты определяются путём интегрирования показаний датчика скорости и направления движения. Из этого следует задача определения 3-х компонентного вектора абсолютной скорости О.

3) Вертикальная координата аппарата г/, его абсолютная вертикальная скорость I», и вертикальная компонента скорости течения имогут быть

определены с достаточной точностью при помощи совместной обработки показаний датчика глубины и относительного лага.

4) Компоненты абсолютной скорости аппарата и, и ис не могут быть определены прямыми методами, так как абсолютный лаг имеет ограниченный радиус действия и потребляет много энергии, а относительный - определяет только скорость аппарата относительно воды. Получается, что и;; можно определить только путём сложения вектора относительной скорости аппарата иа,с с двумерным вектором скорости течения и((. Из этого следует задача определения обеих этих величин.

5) Вектор относительной скорости аппарата и0,, может быть определён либо по показаниям относительного лага, либо по подаваемым командам. Метод по подаваемым командам подразумевает собой прогнозирование траектории движения аппарата путём имитационного моделирования его движения (если известен вектор управления и гидродинамические характеристики). Было продемонстрировано, что при наличии корректной модели движения гидроплана, метод по подаваемым командам может быть использован вместо относительного лага, потребляющего энергию даже в присутствии неоднородного поля течения. Тогда, для осуществления задачи определения точного местонахождения аппарата под водой остаётся определить только скорость течения в горизонтальной плоскости и((.

1. Определение скорости течения по смещению аппарата между всплытиями

1.1 Метод последовательных погружений.

Суть метода заключается в том, что аппарат сначала погружается на некоторую небольшую глубину, всплывает и по смещению относительно предыдущего положения, зная свою среднюю относительную скорость, определяет среднюю скорость течения на заданном коридоре глубин. Затем он производит последовательные погружения на другие глубины и, зная скорость течения на предыдущих диапазонах, может определить её на текущем по следующей формуле:

и-1

где вектор смещения на «-ом цикле; о0(;1 — усреднённый двумерный

вектор скорости аппарата относительно воды в диапазоне глубин //,_,...//,.; т,— время прохождения диапазона глубин (см. рис. 2). Данный метод

позволяет определить поле скорости течения с заданной дискретностью по глубине. Источником информации служит спутниковая система позиционирования.

Рис. 2 Пример неправильной (а) и правильной траектории (б) движения в вертикальпой плоскости при определении скорости течения по методу криволинейной траектории.

1.2 Метод криволинейной траектории.

Метод аналогичен выше описанному, и отличается тем, что аппарат постоянно погружается на предельную глубину, двигаясь на каждом из диапазонов глубин с разным углом планирования, а ик{К) определяется из решения следующей системы:

= "«-1 • 1 + и((2 • '12 +—+• 'цу ~"{С1 '*и +иК* ''22 +

^ТКИ =иК1 '*т +и{(2 -1Н2+ — + и((Л■ "'лУ

где = - - смещение за счёт течения на /-м цикле; и№ — двухкомпонентный вектор скорости течения в j-м слое; /¡, - время прохождения j-гo слоя на ¿-м цикле.

Этот метод предпочтителен, если аппарату требуется каждый раз погружаться на одну и ту же глубину (например, если по условию задачи требуется равномерное покрытие всего диапазона глубин).

2. Измерение скорости течения путём интегрирования её производной (стратификационные методы)

В отличие от метода по смещению между всплытиями, описываемые в пп. 2.1 и 2.2 методы позволяют практически непрерывно, а главное -

с!и„

незамедлительно, определять производную скорости течения по глубине ——, и, путём интегрирования, саму скорость течения и(..

2.1. Измерение скорости течения по относительной скорости аппарата

Опишем эффект, на котором основана работа этого метода. Введём полусвязанную систему координат . Она получается путём поворота осей на угол у/ вокруг оси т). В главе 2 показано, что при наклонном движении

аппарата в потоке с ненулевой производной скорости течения по глубине

возникают дополнительные силы и моменты, в результате воздействия которых параметры установившегося режима движения гидроплана изменяются. Чем

больше значение —^р»тем больше отличается вектор скорости оа от значения

при движении в однородном потоке (вектор 0о — трёхкомпонентный). Величину этого отличия назовём избыточной скоростью (Д£>0). < Тогда получается, что каждому значению избыточной скорости &йа соответствует

некоторое значение . Тогда, если возможно с достаточной точностью

дк

измерить Д0о, то можно определить и . Зная , путём преобразования

дк ЪЬ

ди,,

координат, можно определить и затем, интегрируя, искомую и((.

При малых углах крена зависимость (АП0) можно представить, как

две зависимости: —^-(Дил,) и (гипотеза разделения плоскостей). Из

того, что при малых углах атаки и дрейфа уравнения динамики практически линейны, можно сказать, что эти зависимости также близки к линейным (гипотеза линейности):

г/Л <1Н У '

В итоге, получается следующий алгоритм определения ик:

1) До начала использования аппарата необходимо определить

коэффициенты к(1 и к(1 для всех сочетаний и 0о. Назовём этот процесс калибровкой.

2) При использовании аппарата, при поддержании прямолинейного и равномерного режима движения, нужно постоянно измерять и АиЛ при помощи относительного лага. В данном случае не имеет значения, является ли

%(А,) = »^(Ло)+-7гАА (3)

движение аппарата управляемым или пет. Затем, по формулам (1), определить на промежутке глубин ДА, соответствующем шагу интегрирования.

Л

3) Вычислить при помощи следующего преобразования: М

¿и М с!и .

•—- =——соб^--

с/А ¿Л

¿и ¿И,, . г/«-, -- =-=-31ПК/Ч--— <х>&у/

М М М

А) Зная начальную скорость течения, путём интегрирования можно определить скорость течения в данный момент:

М

По результатам моделирования на примере аппарата БЬОСиМ был сделан вывод о том, что гипотезы линейности и разделения плоскостей подтверждаются. Проведённый путём имитационного моделирования анализ чувствительности метода показал, что при применении лага с точностью 0.001

м/с метод позволяет идентифицировать течения с —К. > 0.001с.

М с

2.2. Определение скорости течения по изменению ориентации аппарата в пространст ее

Ниже описывается вторая разновидность стратификационных методов,

(¡и,. с1ис.

которая отличается от описанного выше тем, что величины —— и —— ^ ММ

определяются раздельно, а затем используются для вычисления ик так, как это было описано в п. 2.1. Поэтому, приводимые ниже алгоритмы описываются

М„ ¿и

лишь до этапа определения —— и —.

М М

2.2.1. Определение .

Как было отмечено выше, при движении аппарата в поле течения с ненулевым постоянным значение относительной скорости 0о будет отличать от такового в однородной среде (О00) на величину Ай0. Так как > + Аио,^ то изменяется и угол атаки. Это, в свою очередь, приводит к

изменению угла дифферента в по сравнению с прежним значением Л. Если —

йй

— постоянно, то после некоторого переходного процесса сила от воздействия

неоднородного потока уравновесится статическим моментом от расположенного внизу центра тяжести и значение дифферента установится на некотором новом значении, отличающемся от прежнего на величину Ав. Это изменение можно измерить при помощи датчика дифферента. При малом крене можно приближённо считать, что Ав зависит только от Ди Ли№ и ди„ ди„ _ ди

соответственно, от —и —-. Так как предполагается, что —- возможно дк дИ дк

измерить непосредственно (путём совместной обработки показаний датчика глубины и абсолютного лага), то получается, что при заданном —1 дифферент

СП

ди

зависит только от ——. Так как динамика аппарата при малых углах атаки и ЗА

дрейфа — практически линейная, можно считать, что зависимость Дв

И

носит линеиныи характер и представляется следующей зависимостью:

<4>

ап

Тогда, для измерения необходимо выполнить следующие шаги: сШ

1) До начала использования аппарата необходимо определить

коэффициент кл для всех сочетаний и 0о.

ЗА

2) При использовании аппарата, при поддержании прямолинейного и равномерного режима движения, нужно постоянно измерять 0 и вычислять

разность Ав. Затем определить —по формуле (4), используя кв, полненный

¿/Л

¿4 -

для текущего сочетания —^ и иа.

ЭЛ

Моделирование показало, что, при точности датчика дифферента, равной 0.009°, данный метод обладает достаточной чувствительностью, чтобы

измерять значения —вплоть до 0.001 Также было получено, что

М м

гипотезы разделения плоскостей и линейности подтверждаются с большой

точностью.

2.2.2 Определение

Аналогично вышесказанному, в неоднородном потоке угол дрейфа будет

определяться, как /? = агс5т| + I. Изменение ¡1, в свою очередь, приводит

I и0„+Аи0 )

к циркуляции аппарата с некоторой угловой скоростью у. Так как До0 мало по

сравнению с и00, им можно пренебречь. Выше было показано, что и^ зависит

практически только от ——, значит, то же самое можно сказать и про ■ Тогда <й

<1ип

можно сделать вывод, что существует однозначная связь между у/ и ——, и,

¿и а

следовательно, измеряя у/, можно определить и ——.

ай

Для измерения угловой скорости можно использовать датчик угловой скорости, однако, как показало моделирование, его чувствительности недостаточно. Вместо этого можно измерять среднее значение у/ на некотором временном интервале, что увеличит дискретность метода по глубине, но увеличит его точность.

В случае если сильное отклонение гидроплана от заданного курса нежелательно, необходимо сначала позволять аппарату циркулировать, а когда угол курса изменится на некоторую предельную величину (например, на порог чувствительности датчика курса уп) — вычислять среднюю угловую скорость у/ и возвращать аппарат в прежнее положение по курсу. Так как динамика аппарата при малых углах атаки и дрейфа — практически линейная, можно

считать, что и зависимость носит характер, близкий к линейному.

ак

гг. а - -

Тогда, зная у, можно вычислить —по следующей линеинои зависимости:

ап

¿и..

Итоговый алгоритм определения —т- выглядит следующим образом:

ап

1) Перед использованием гидроплана производится определение

коэффициента к для каждого из возможных значений -1- и й0. Так как

зависимость линейная, то для определения ку достаточно промоделировать установившееся движение гидроплана один раз при максимально возможном «Л,-,

значении —. В ходе моделирования, при поддержании аппаратом ¿Л

прямолинейного и равномерного режима движения, необходимо выбрать некоторый начальный момент времени. Обозначим этот момент, как Тй и глубину, на которой находится аппарат в этот момент, как \. После Т0 аппарат входит в неуправляемый режим и под действием неоднородного потока его

курс начнёт изменяться со скоростью у, зависящей от значения Через

некоторое время ДТ на глубине Л, курс превышает порог чувствительности

прибора курса ц/„. После этого становится возможным вычислить среднюю

скорость изменения курса на диапазоне глубин fu... А,: у/=(6)

Д Т

Результатом калибровки будет являться А,,, вычисляемый, как kw = -Щ—.

2) При использовании аппарата необходимо проделать аналогичную процедуру: при поддержании прямолинейного режима движения определить, сколько времени АТ требуется неуправляемому гидроплану, чтобы курс изменился на величину порога чувствительности угп и вычислить цг по

формуле (б). После этого необходимо определить по формуле (5),

dh

du, _ „ dur.

используя ¿ , полученное для текущих измеренных —- и о0. Полученное —íL

dh dh

будет средним значением производной скорости течения на интервале глубин

Л„... . После этого аппарат входит в управляемый режим и возвращается на

прежний курс.

В результате численного моделирования работы данного метода было получено, что гипотезы разделения плоскостей и линейности подтверждаются с большой точностью. Также получено, что значению производной

-—= 0.001——— соответствует значение уг, равное 0.049 °/сек, что говорит о том, dh с

что минимальная возможная дискретность по глубине в данном случае равняется 16 м.

3. Вывод по стратификационным методам

Можно отметить, что для существующих на данный момент приборов наиболее целесообразным представляется одновременное использование методов, описанных в п. 2.2, т.е. гидроплан должен двигаться в некотором произвольном направлении (необязательно постоянном) и измерять

компоненту по изменению дифферента, компоненту ~ по изменению

курса и далее производить пересчёт этих величин в и((. Измерение носит

практически непрерывный характер, в то время дискретность измерения ——

dh

зависит от самой этой величины. В случае если точность метода по изменению дифферента недостаточна, возможно движение гидроплана переменными галсами, расположенными друг к другу под 90°, чтобы каждая из компонент измерялась попеременно то одним методом, то другим.

В отличие от метода определения скорости течения по избыточной скорости здесь нет необходимости в постоянной работе датчика относительной

скорости, однако необходимо постоянное маневрирование (для коррекции курса). В принципе, если метод по изменению дифферента обеспечивает достаточную точность, возможно использование гидроплана в неуправляемом режиме, т.е. когда он на манер флюгера постоянно поворачивается навстречу

потоку. Тогда компоненту можно считать близкой к нулю, а компоненту - измерять по изменению дифферента.

Метод критериальных уровней

Ниже рассматривается метод оптимизации движения гидроплана, называемый методом критериальных уровней и применение его к решению типичной океанографической задачи.

В ходе исследования функционирования гидроплана возникает множество критериев оценки качества. В результате анализа классических методов многокритериальной оптимизации сделан вывод о том, что, вследствие субъективности выбора весовых коэффициентов интегрального критерия, эти методы не подходят для исследования движения гидроплана и более приемлем метод, названный автором методом критериальных уровней.

Целью оптимизации в случае исследования движения гидроплана является определение параметров системы управления гидропланом при заданных ограничениях. Опишем её алгоритм:

1) Задание списка постоянных параметров гидроплана

Задаются некоторые неизменные ограничения на конструктивные параметры и параметры системы управления гидропланом. Ими могут быть: габариты аппарата, максимальная величина избыточной плавучести, максимальная скорость изменения плавучести, диапазон изменения центра тяжести и т.д.

2) Постановка задачи и определение перечня критериев

Ставится задача в общем виде и определяется перечень критериев без конкретных числовых значений ограничений на них. Определяется лишь цель по каждому критерию (максимизация или минимизация). Этот перечень состоит из нескольких уровней:

— критерии 1-го уровня Jn..Jщ, соблюдение ограничений по которым необходимо для выполнения поставленной задачи;

— критерии 2-го уровня Jг..J2N^, которые характеризуют качество функционирования аппарата при условии соблюдения ограничений по критериям 1-го уровня;

— критерии последующих уровней вплоть до ¿-го уровня Jí..JLf/t, которые характеризуют качество функционирования аппарата при удовлетворении ограничений на критерии предыдущего уровня;

Для каждого критерия определяется тип ограничений на него (сверху и/или снизу), но их числовые значения не задаются.

Все критерии внутри группы равноправны, а критерии верхнего уровня (меньший индекс) имеют абсолютный приоритет по сравнению с критериями нижнего уровня (больший индекс). Заметим, что одни и те же физические величины могут одновременно присутствовать на разных уровнях. Число уровней и перечень критериев на каждом уровне могут быть не фиксированы, а определяться динамически. В частном случае, возможная ситуация, когда все критерии располагаются на одном уровне, и на каждом последующем уровне их значения определяются динамически до достижения единственного решения.

Для случая гидроплана, критерии разных уровней могут представлять собой различные подзадачи, выполнение которых возможно только при выполнении подзадачи предыдущего уровня.

3) Определение перечня переменных параметров гидроплана

Задаётся перечень переменных параметров гидроплана, которые

подлежат варьированию в процессе оптимизации: б = {О,..^^}.

4) Поиск глобальных минимумов и максимумов но каждому из критериев

По каждому из критериев 1-го уровня осуществляется поиск глобальных минимумов и максимумов (7°™" и У"™"*) на всём пространстве параметров

5) Выбор ограничений на критерии 1-го уровня

Исходя из стоящих перед проектировщиком задач, выбираются такие ограничения У™° или У™" на каждый критерий Ju, чтобы они удовлетворяли глобальным ограничениям по критериям У,®™" или У,?"". В частном случае, если, например, ограничение на некоторый критерий у™ совпадает с У,®™ имеет место обычная задача минимизации.

6) Определение относительных расстояний выбранных ограничений от глобальных экстремальных значений

Относительные расстояния (Л,.) для каждого критерия У„. определяются по следующим формулам:

убаш _^га*

=' с'шц-е^Г ~~ для критериев, у которых ограничение сверху;

Л ~~ ¿и

Л, = ■ —- - для критериев, у которых ограничение снизу;

~ -Л*

7) Нахождение решений, удовлетворяющих ограничениям

Для каждого /"-го критерия 1-го уровня определяются множества в пространстве С?, в которых удовлетворяются ограничения по нему. Порядок их определения таков: сначала определяется множество для критерия с

минимальным значением Я., а затем внутри этого множества осуществляется поиск значений, удовлетворяющий критерию со следующим минимальным значением Я, и т.д. В результате получается множество решений по критериям 1-го уровня С".

В процессе определения этих множеств производится исключение вариантов, неоптимальных по Парето, т.е. каждая новая точка сравнивается со всеми предыдущими и если хотя бы по сравнению с одной она хуже по всем критериям — она не входит в множество С*.

8) Принятие решения о продолжении оптимизации

Если множество С* — пустое, то необходимо перейти на 5-й этап, смягчить ограничения 1 -го уровня и продолжить процесс в описанном порядке.

Если во множестве С,' только один элемент — решение найдено.

Если <3," состоит из хотя бы двух элементов - поиск решения продолжается по критериям 2-го уровня. Для этого производится переход на 4-й этап, где определяются минимальные и максимальные значения критериев 2-го уровня среди элементов множества С'. Далее повторяются этапы 5...8 для критериев 2-го уровня и снова находится некоторое множество С'2. Далее процесс итеративно продолжается либо до достижения единственного решения, либо до достижения заключительного уровня критериев.

В этом как раз и заключается суть метода критериальных уровней: ограничения последующего уровня не определяются до получения конкретного числового результата по критериям предыдущего, что экономит время разработчика, потому, что нет необходимости определять предпочтения одного критерия над другими для всех их возможных значений.

Подытоживая, можно сказать, что преимущества метода критериальных уровней реализуются в наибольшей степе™, когда «функция полезности» (хотя она явно не присутствует) одного или нескольких критериев носит ступенчатый характер.

Рассмотрим пример использования метода критериальных уровней.

Требуется определить максимальные значения ^ и хе> подходящие для выполнения задачи исследования акватории. В словесной формулировке список приоритетов выглядит так:

1) Обеспечить дежурство в районе на протяжении заданного времени;

2) Если 1-е условие обеспечивается, то обеспечить возврат аппарата в район для подбора носителем;

3) Если 1-е и 2-е условия соблюдаются, то увеличить точность определения местонахождения гидроплана в районе;

Тогда, в соответствии с вышесказанным, разобьём критерии на уровни:

Критерии 1-го уровня:

1) Энергопотребление (ограничение снизу). Удобнее представить этот критерий в виде ограничения на мощность, потребляемую системой изменения

плавучести (СИП). При условии, что гидроплан за время Г„„ истратит всю

£

запасённую энергию, мощность, затраченная на СИП, составит: Рсип =Рпн.

2) Горизонтальная скорость (ограничение снизу). Критерии 2-го уровня:

1) Энергопотребление (ограничение снизу); Критерии 3-го уровня:

1) Дискретность определения поперечной компоненты скорости течения

■^^(ограничение сверху). Меньшая дискретность измерен™ скорости течения </Л

позволяет точнее определять местоположение гидроплана между всплытиями.

Результат решения приведён ниже: Параметры управления:

— максимально необходимое значение ГЧ=-2Н;

— максимально необходимое значение хс = 0.007 м. Параметры движения:

— максимально возможная горизонтальная скорость аппарата и(: 0.59 м/с;

— минимальное время функционирования: 31 день;

— максимальная дискретность определения «,, при = 0.001—: 20 м.

" с/й с

Выводы по главе 3.

1. Выполнен анализ способов и устройств для определения аппаратом своего местоположения и сделан вывод о том, что единственной принципиальной проблемой в навигации гидроплана является определение горизонтальных компонент скорости течения и( и и(.

2. Предложены следующие методы их определения:

— по смещению аппарата между всплытиями;

— метод последовательных погружений;

— метод криволинейной траектории;

— стратификационные методы;

— по приросту скорости аппарата относительно воды;

— по изменению ориентации аппарата в пространстве;

3. Предложен метод оптимизации движения гидроплана при наличии множества критериев качества, названный методом критериальных уровней. Суть его заключается в интерактивном изменении ограничений на частные

критерии в соответствии с предпочтениями пользователя до тех пор, пока не останется одно решение.

4. Приведён пример использования метода критериальных уровней для оптимизации параметров управления гидропланом. Он демонстрирует, что метод критериальных уровней является удобным и наглядным способом исследования движения гидроплана. Это выражается в том, что у пользователя нет необходимости в определении приоритетов одних критериев над другими для всех возможных ситуаций. Вместо этого приоритеты вырабатываются в ходе исследования и имеют выраженный физический смысл. После проведения мер по оптимизации траектории движения аппарата расход им энергии составил 3.7 Дж/м. В то же время, расход энергии аппаратом SLOCUM составляет 5.2 Дж/м при скорости 0.4 м/с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована целесообразность и актуальность использования гидроплана для океанографических задач, выполнен обзор существующих аналогов, выполняемых ими задач и методов исследования их движения.

2. Разработана специализированная пространственная математическая модель управляемого движения гидроплана и кинематические соотношения на основе направляющих косинусов.

3. Синтезированы приближённые аналитические решения для отдельных режимов движения аппарата.

4. Разработаны методы измерения параметров движения аппарата в стратифицированном течении.

5. Разработан метод критериальных уровней, предназначенный для исследования движения гидроплана при наличии множества критериев его функционирования и описано его применение к задаче оптимизации движения гидроплана при обследовании заданной акватории.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Уланов A.B. Анализ альтернативных подходов к организации управляемого движения подводного планирующего аппарата. Труды 4-й конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2002 г.

2. Уланов A.B. Управление подводным планирующим роботом в вертикальной плоскости. Труды Международного конгресса «Молодежь и наука, 3-е тысячелетие», Москва, 15-19 апреля 2002 г.

3. Уланов A.B. Анализ альтернативных подходов к организации управляемого движения гидроплана. Труды конференции «Основные направления эксплуатации корабельной техники и тенденции совершенствования инженерного образования», Санкт-Петербург,24 мая 2002 г.

4. Уланов A.B. Определение рациональных параметров системы управления гидропланом. Труды 6-й международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, 28-31 мая 2002 г.

5. Уланов AB. Критерии оптимизации и иерархия математических моделей для подводного планирующего аппарата. Труды 3-й международной конференции по судостроению ISC'2002, Санкт-Петербург, 8-10 октября 2002 г.

6. Уланов A.B. Управление движением подводного планера. Труды 5-й конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2003 г.

7. Уланов A.B. Навигация весоплана в неоднородном течении. Труды 12-й международной конференции по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, 23-25 мая 2005 г.

ИЦ СПбГМТУ

Подписано в печать 20.07.2006 г. Зак 3243. Тир. 80. 1,3 печл.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Уланов, Андрей Владимирович

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Анализ методов исследования движения гидропланов.

1.1. Характеристика задач и принцип действия гидроплана.

1.2. Выводы по существующим моделям гидропланов.

1.3. Существующие способы исследования движения гидропланов.

1.4. Выводы.

Глава 2. Математическое описание движения гидроплана в условиях неоднородного поля течения.

2.1. Пространственная модель движения гидроплана.

2.1.1. Кинематические уравнения.

2.1.2. Уравнения динамики.

2.1.3. Учёт влияния вязкостной компоненты неоднородного поля течения.

2.1.4. Определение присоединённых масс.

2.1.5. Определение внешних воздействий на аппарат.

2.1.6. Определение вязкостных гидродинамических сил и моментов, воздействующих на аппарат.

2.1.7. Пример определения гидродинамических коэффициентов для аппарата SLOCUM.

2.2. Аналитические выражения для различных участков движения гидроплана.

2.2.1. Определение кинематических параметров прямолинейного равномерного режима движения.

2.2.2. Определение параметров вектора управления по заданным кинематическим параметрам.

2.2.3 Вычисление перезаглубления гидроплана на участке изменения знака плавучести.

2.3. Численное моделирование движения гидроплана.

2.3.1. Исследование движения гидроплана в вертикальной плоскости на устойчивость.;.

2.3.2. Сравнительное исследование различных способов поворота гидроплана.

2.3.3 Исследование движения гидроплана в точках переключения плавучести.

2.3.4 Исследование движения гидроплана в потоке с постоянной производной скорости течения по глубине.

2.4 Выводы.

Глава 3. Организация управляемого движения гидроплана в присутствии течений.

3.1. Анализ применимости существующих методов определения местоположения аппарата к управлению движением гидроплана.

3.1.1. Прямой метод измерения смещения аппарата относительно дна.

3.1.2. Инерциальная навигация.

3.1.3. Метод навигационного счисления.

3.2. Методы измерения скорости течения.

3.2.1. Методы межцикловых смещений.

3.2.2. Измерение скорости течения по относительной скорости аппарата.

3.2.3. Измерение скорости течения по изменению ориентации аппарата в пространстве.

3.2.4. Влияние скачков плотности на точность динамических методов определения местоположения.

3.2.5. Влияние волнения на точность динамических методов определения местоположения.

3.3. Метод критериальных уровней и его применение для определения возможности выполнения гидропланом задачи по обследованию акватории.

3.3.1. Анализ критериев движения гидроплана.

3.3.2. Анализ применимости существующих методов многокритериальной оптимизации к задаче исследования движения гидроплана.

3.3.3. Метод критериальных уровней.

3.3.4. Сравнительное исследование процесса определения параметров гидроплана методом критериальных уровней и методом последовательных уступок.

3.4 Выводы

Введение 2006 год, диссертация по кораблестроению, Уланов, Андрей Владимирович

Предмет исследования. В течение последних десятилетий активно разрабатываются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) [10], призванные дополнить существующую информацию о гидрологии Океана. Особенно ценным применением АНПА является длительное обследование акватории. Тем не менее, широкому их использованию в указанных целях препятствуют три принципиальных барьера, обусловленные необходимостью функционирования АНПА в течение длительного интервала времени (порядка нескольких недель или месяцев):

- недостаточная автономность;

- неточность определения местоположения при длительном времени функционирования;

- отсутствие надёжных алгоритмов управления.

С появлением источников энергии высокой ёмкости и глобальной спутниковой системы позиционирования, эти проблемы начинают постепенно преодолеваться [73, 74]. Обычно, АНПА традиционного исполнения оборудуются винтовым движителем. Однако недостаточная продолжительность действия ограничивает применение таких аппаратов. Возникла необходимость в рассмотрении альтернативного, по отношению к традиционным, вида подводных аппаратов, который бы давал им значительные преимущества при выполнении обследования Океана. Этот вид ПА может быть назван гидропланом [26].

Гидропланом называется аппарат, осуществляющий наклонное движение в водной среде путём преобразования силы знакопеременной плавучести в гидродинамическую силу, вектор которой направлен в сторону движения аппарата. Вообще говоря, под данную формулировку может подойти практически любой подводный аппарат, так как, в большинстве случаев, суммарная гидродинамическая сила, действующая на него, направлена не строго вниз, а имеет также и горизонтальную составляющую. Это действительно тогда и только тогда, если угол между нормалью хотя бы одного элемента поверхности аппарата и направлением потока не равен нулю. Так, традиционный ПА с цилиндрической формой корпуса, имеющий оперение, также, в определённой мере, является гидропланом при угле дифферента, не равном нулю. Однако, как правило, гидропланом считается аппарат, коэффициент подъёмной силы которого во много раз больше коэффициента лобового сопротивления. Это возможно, если у аппарата имеются развитые поверхности (крылья).

Актуальность данной работы состоит в том, что в ней разрабатывается информационное обеспечение процесса управляемого движения гидроплана, включающее специализированную пространственную модель движения, методы определения местоположения гидроплана в присутствии неоднородного течения и методы исследования его движения при наличии множества критериев эффективности его использования.

Цель исследования.

Цель настоящей работы состоит в разработке информационного обеспечения процесса управляемого движения гидроплана, включающего в себя алгоритм моделирования управляемого движения гидроплана в районе с неоднородным полем течения, способы определения его местоположения и методику оптимизации процесса управления при наличии множества критериев качества его движения.

Реализации поставленной цели служат следующие задачи исследования:

1. Разработка математической модели движения гидроплана, учитывающей воздействие течений на динамику аппарата.

2. Синтез приближённых аналитических выражений, позволяющих определить соответствие между величиной силового воздействия на гидроплан и кинематическими параметрами поступательного движения, необходимых для ускорения процесса исследования особенностей движения гидроплана.

3. Обоснование выбора метода определения местоположения гидроплана при функционировании в неоднородном поле течения и разработка методов определения скорости течения в местах функционирования гидроплана.

4. Описание критериев качества, разработка и применение метода оптимизации движения гидроплана при наличии множества критериев качества управляемого движения.

Применение гидроплана для обследования акватории. Ввиду того, что для передвижения аппарат должен постоянно перемещаться по вертикали, его траектория почти постоянно будет наклонной.

Отметим достоинства и недостатки гидроплана по сравнению с аппаратами, имеющими винтовой или водомётный движитель:

Достоинства:

1) Возможность получения более высокого КПД (до 80%).

2) Возможность изменения направления движения путём смещения центра тяжести. В принципе, другие аппараты так же способны на это, однако вследствие наличия у гидроплана крыла, проекция вектора подъёмной силы на боковую плоскость будет значительно больше, чем у аппаратов без крыла.

Недостатки:

1) Невозможность горизонтального движения при отсутствии на гидроплане винта или. водомёта.

2) Низкая скорость.

Задача функционирования гидроплана вдали от берега вызывает необходимость повышения его автономности. Для задач обследования акватории гидроплан представляет собой техническое решение, по совокупности основных факторов превосходящее все возможные существующие средства наблюдения, а именно: автономные винтовые подводные аппараты, дрейфующие станции и заякоренные станции.

Гидропланы сочетают в себе мобильность самодвижущихся аппаратов и большое время функционирования дрейфующих или заякоренных станций и могут заменять и то и другое. По сравнению с самодвижущимися аппаратами гидроплан излучает меньше шумов и имеет больший КПД, особенно на малых скоростях (меньше 1 уз), которые необходимы для выполнения заданий большой продолжительности. По сравнению с дрейфующими станциями он может корректировать свой курс, а по сравнению с заякоренными - имеет преимущество в простоте постановки.

Исторический обзор. Впервые идея приводить АНПА в движение за счёт силы плавучести появилась, как самостоятельная, в 60-х годах XX века [47], когда возникла потребность в освоении Мирового Океана при помощи автономных необитаемых подводных аппаратов. Отсутствие обитаемых гидропланов объясняется их плохой манёвренностью и невозможностью долговременного обеспечения участков горизонтального движения. Привязные и телеуправляемые гидропланы также необоснованны, так как их достоинства не реализуются в полной мере в задачах, характерных для неавтономных аппаратов (они схожи с задачами обитаемых аппаратов). Например, нет необходимости в обеспечении низкой шумности работы. Наличие же крыльев усложнит проникновение аппарата в узкие места при обследовании донных объектов.

Только в связи с появлением автономных аппаратов, функционирующих в открытом море на протяжении длительного периода, положительные свойства гидропланов оказались востребованными. В 90-х годов в США началась разработка и производство сразу нескольких моделей гидропланов (Seaglider, SLOCUM, Spray) [43, 44, 73, 74]. Аппараты имеют схожие массово-габаритные характеристики и предназначены для океанографических исследований, т.е. измерения характеристик полей скорости течения, солёности, температуры, электропроводности, скорости звука, прозрачности воды, концентрации планктона, и т.д. Скорость движения по горизонтали у них составляет 0.25.0.4 м/с при абсолютном значении плавучести порядка 2.5 Н.

Литературные источники, использованные автором для настоящего исследования и сформировавшие его научные концепции, можно подразделить на четыре группы, описывающие следующие области:

1. Исполнительные системы и основы проектирования традиционных (винтовых) подводных аппаратов. В данной группе авторы, публикации которых использовались в данном исследовании, включают следующие источники: М.Д. Агеев [2] и В.И. Егоров [9]. Из этой литературы были использованы сведения об элементах, общих для всех подводных аппаратов, вне зависимости от типа движителя.

2. Математический анализ движения традиционных подводных аппаратов и синтез оптимальных законов управления ими. В данной группе авторы, публикации которых использовались в данном исследовании, включают следующих: Б.Б. Шереметов [24]. У этих авторов присутствует описание подходов к исследованию динамики и синтезу систем управления подводных аппаратов традиционного типа. В настоящем исследовании эти подходы используются до тех пор, пока они остаются общими для всех режимов движения аппарата и не зависят от типа движителя.

3. Исследовательские отчёты, описывающие основные характеристики и результаты испытаний гидропланов [43, 44, 69, 73, 74]. Данные материалы разрабатывались следующими организациями: корпорация Webb Research (гидроплан SLOCUM), лаборатория прикладной физики Университета штата Вашингтон (гидроплан Seaglider), Токийский Университет (гидроплан ALBAC), Институт Океанографии Скрипса (гидроплан Spray). В данных материалах содержатся сведения об основных массогабаритных характеристиках указанных гидропланов и их типичных применениях.

4. Математический анализ движения гидропланов и синтез оптимальных законов управления ими [44,46, 73,74]. Данные материалы разрабатывались следующими авторами: В.М. Гаврилов, R. Davis, С. Eriksen, D.M. Fratantoni, С. Jones, K.Kawaguchi, N.E. Leonard. R. Light, P. Simonetti, U.Tamaki, D.C.Webb. Эти исследования, в большинстве своём, основываются на испытаниях реальных прототипов гидропланов; они послужили отправной точкой для собственных исследований автора в области управляемого движения гидропланов.

Анализ способов создания и конструктивных особенностей гидроплана.

Как показал анализ литературы по существующим образцам гидропланов, существующие аппараты используют следующие способы создания управляющих воздействий:

- для создания переменной плавучести: периодическое сжатие и расширение газа под действием поршня;

- для управления в вертикальной плоскости: перемещение массы вдоль продольной оси;

- для управления в горизонтальной плоскости: перемещение массы вдоль поперечной оси аппарата и вертикальный руль;

Среди управляющих устройств также возможны альтернативные варианты. При использовании принципа планирования возможно использование регулируемого угла поворота крыла. Более того, разработчику необходимо знать, при каких исходных данных целесообразнее применять тот или иной способ управления. Это может сделать конструкцию аппарата более простой, например, если есть система смещения центра тяжести, то вертикальный руль может не понадобиться.

Анализ математических моделей, методов определения местоположения и исследование движения гидропланов.

В известных автору работах по динамике движения гидропланов не описано исследование особенностей их движения при переходных процессах, в том числе, при больших углах атаки. Такие режимы возникают постоянно, так как в начале каждого цикла движения начальная скорость гидроплана близка к нулю, а угол атаки - к 90°. Отсутствуют аналитические выражения для параметров установившегося движения, позволяющие определить их зависимость от вектора управления. Необходимо создать пространственную математическую модель, имитирующую все виды управляющих воздействий и работающую при всех возможных углах атаки. При помощи такой математической модели становится возможным определить параметры вектора управления аппаратом, необходимые для достижения заданных параметров движения.

В ходе испытаний существующих образцов гидропланов [52,73,74] выяснилось, что при попадании аппарата в сильное течение он не может преодолеть его и, как следствие, не может двигаться в заданном направлении, из чего следует задача повышения скорости движения гидропланов. Кроме того, при поставленной задаче измерения поля скорости течения, существующие аппараты могут определять только усреднённую по глубине скорость, причём определение происходит только после всплытия гидроплана. В результате, можно сделать вывод о необходимости создания способов определения скорости течения с более высоким разрешением. Наилучшим решением было бы определение скорости течения динамически, т.е., в момент прохождения данной глубины, а не после всплытия на поверхность. Даже если задача измерения характеристик поля течения не ставится пользователем аппарата, она имеет значение для повышения эффективности гидроплана, так как она зависит от соотношения угла планирования и скорости течения в данный момент.

В результате обзора литературы по исследованию движения гидропланов выяснилось, что в некоторых работах рассматривается оптимизация движения гидроплана [46]. Однако не рассматривается исследование движения гидроплана при наличии множества критериев. При многокритериальной оптимизации, в некоторых случаях, выработка целевой функции при интегральном критерии качества является слишком сложной, а, иногда, и невозможной из-за сложности свёртки множества критериев в один интегральный.

Можно сделать вывод о необходимости работы, посвященной исследованию управляемого движения гидроплана в присутствии течений. Выполненный анализ дает основания для вывода о том, что адекватная математическая модель, методы определения местоположения и исследование движения гидроплана ещё не получили необходимой научной проработки.

Положения, выносимые на защиту.

1. Имитационная модель движения гидроплана, учитывающая воздействие течений на динамику аппарата.

2. Аналитические выражения, полученные на основе линеаризованной модели, позволяющие определить соответствие между величиной силового воздействия на гидроплан и кинематическими параметрами поступательного движения и необходимые для ускорения исследования движения гидроплана.

3. Метод определения местоположения гидроплана при функционировании в неоднородном поле течения и методы определения поля скорости течения.

4. Критерии качества и метод оптимизации движения гидроплана при наличии множества критериев качества управляемого движения.

Апробация исследования.

Основные положения и выводы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных, российских и региональных научных конференциях, в частности:

1. Четвёртой конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2002 г.

2. Международном конгрессе «Молодежь и наука, 3-е тысячелетие», Москва, 15-19 апреля 2002 г.

3. Межвузовской научной конференции «Основные направления эксплуатации корабельной техники и тенденции совершенствования инженерного образования», Санкт-Петербург, 24 мая 2002 г.

4. Шестой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, 28-31 мая 2002 г.

5. Третьей международной конференции по судостроению ISC'2002, Санкт-Петербург, 8-10 октября 2002 г.

6. Пятой конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2003 г.

7. Двенадцатой Санкт-Петербургской Международной конференции по интегррированным навигационным системам, 23-25 мая 2005 г.

Публикации.

По основным результатам диссертационного исследования автором опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы (81 источник). Работа содержит 43 рисунка и 10 таблиц.

Заключение диссертация на тему "Управление гидропланом в неоднородном по глубине течении"

3.4. Выводы

1. Выполнен анализ применимости существующих методов определения местоположения гидроплана и сделан вывод о необходимости создания методов определения горизонтальных составляющих скорости течения под водой для управления движением гидроплана при отсутствии информации от спутниковой системы навигации.

2. Рассмотрены три подхода к определению местоположения гидроплана: прямой метод, метод инерциальной навигации и метод навигационного счисления. Показано, что только последний из них может быть использован на гидроплане.

3. Рассмотрены два метода определения относительной скорости аппарата:

- непосредственное измерение;

- вычисление по подаваемым командам;

Получено, что метод по подаваемым командам может быть использован только в случае, если траектория симметрична на участках подъёма и спуска.

4. Предложены две группы методов измерения скорости течения:

- по смещению аппарата между всплытиями:

- метод последовательных погружений;

- метод криволинейной траектории;

- динамические методы, измеряющие производную скорости течения по глубине:

- по приросту скорости аппарата относительно воды;

- по изменению ориентации аппарата в пространстве;

Получено, что динамические методы обеспечивают приемлемую точность позиционирования аппарата в реальном времени при производной скорости течения не менее

0.001 — . м

5. Произведено численное моделирование работы динамических методов. Сделан вывод, что для выбранного прототипа гидроплана и для рассматриваемых датчиков все динамические методы обеспечивают измерение скорости течения при значении её производной по глубине не менее 0.001 ——, что, при вертикальной скорости гидроплана м

0.2 м/с, соответствует скорости возрастания ошибки позиционирования, равной 0.0002 м/с. При функционировании в течение недели это соответствует неопределённости положения гидроплана, равной 100 м.

6. Предложен метод критериальных уровней, в котором предлагается разбить существующие критерии оценки качества движения гидроплана на несколько уровней. Проведено сравнительное исследование метода критериальных уровней и метода последовательных уступок для определения возможности использования гидроплана при динамическом позиционировании. Сделан вывод о том, что метод критериальных уровней позволяет в более полной степени учесть требования проектировщика.

136

Заключение

В работе предложена математическая модель движения гидроплана, методы определения его местоположения и метод оптимизации его движения в среде с неоднородный полем течения.

В главе 1 произведён обзор существующих гидропланов и подходов к исследованию их движения.

1. В результате анализа задач обследования акватории, выполняемых подводными аппаратами сделан вывод о целесообразности использования для этих целей подводного планирующего аппарата, названного гидропланом.

2. Выбран принцип действия системы управления движением гидроплана, заключающийся в изменении его плавучести.

3. В результате сравнительного анализа существующих на текущий момент гидропланов (SLOCUM, Seaglider, ALBAC) сделан вывод о том, что у данных гидропланов максимальная скорость может быть недостаточной для выполнения задач обследования акватории.

4. После рассмотрения существующих на данных момент математический моделей поступательного движения гидроплана сделан вывод о том, что они не позволяют определить параметры поступательного движения по значениям управляющих воздействий.

В главе 2 синтезирована математическая модель пространственного движения гидроплана и аналитические выражения для отдельных режимов его движения.

1. Получена пространственная модель движения гидроплана, учитывающая воздействие на аппарат поля скорости течения путём раздельного вычисления двух его составляющих: инерционного и вязкостного.

2. Получены приблизительные аналитические выражения для установившегося участка движения и для участка изменения плавучести, позволяющие определить кинематические параметры поступательного движения гидроплана в продольной плоскости по заданным управляющим воздействиям. Получено выражение для участка смены плавучести, зависящее только от двух переменных и позволяющее быстро определить перезаглубление аппарата, не зная конкретных гидродинамических характеристик. Это выражение обеспечивает весьма точную оценку перезаглубления гидроплана при скоростях движения до 2 м/с.

3. В результате исследования динамики движения гидроплана, используя программу численного решения уравнений движения гидроплана получено, что управление при помощи смещения центра тяжести приблизительно в 2-3 раза эффективнее, чем управление при помощи руля и крыла. Получено соотношение между скоростями изменения плавучести и изменения управляющих воздействий, которое минимизирует угол атаки и расход энергии во время переходного процесса.

4. В результате моделирования движения гидроплана в присутствии неоднородного течения получено, что его курс изменяется приблизительно пропорционально скорости течения, что даётся возможность её идентифицировать.

В главе 3 разработаны методы определения местоположения гидроплана при наличии неоднородного по глубине поля течения и предложен метод оптимизации его функционирования при наличии множества критериев.

1. Выполнен анализ применимости существующих методов определения местоположения гидроплана и сделан вывод о необходимости создания методов определения горизонтальных составляющих скорости течения под водой для управления движением гидроплана при отсутствии информации от спутниковой системы навигации.

2. Рассмотрены три подхода к определению местоположения гидроплана: прямой метод, метод инерциальной навигации и метод навигационного счисления. Показано, что только последний из них может быть использован на гидроплане.

3. Рассмотрены два метода определения относительной скорости аппарата:

- непосредственное измерение;

- вычисление по подаваемым командам;

Получено, что метод по подаваемым командам может быть использован только в случае, если траектория симметрична на участках подъёма и спуска.

4. Предложены две группы методов измерения скорости течения:

- по смещению аппарата между всплытиями:

- метод последовательных погружений;

- метод криволинейной траектории;

- динамические методы, измеряющие производную скорости течения по глубине:

- по приросту скорости аппарата относительно воды;

- по изменению ориентации аппарата в пространстве;

Получено, что динамические методы обеспечивают приемлемую точность позиционирования аппарата в реальном времени при производной скорости течения не менее

0.001^. м

5. Произведено численное моделирование работы динамических методов. Сделан вывод, что для выбранного прототипа гидроплана и для рассматриваемых датчиков все динамические методы обеспечивают измерение скорости течения при значении её производной по глубине не менее 0.001 что, при вертикальной скорости гидроплана м

0.2 м/с, соответствует скорости возрастания ошибки позиционирования, равной 0.0002 м/с. При функционировании в течение недели это соответствует неопределённости положения гидроплана, равной 100 м.

6. Предложен метод критериальных уровней, в котором предлагается разбить существующие критерии оценки качества движения гидроплана на несколько уровней. Проведено сравнительное исследование метода критериальных уровней и метода последовательных уступок для определения возможности использования гидроплана при динамическом позиционировании. Сделан вывод о том, что метод критериальных уровней позволяет в более полной степени учесть требования проектировщика.

Библиография Уланов, Андрей Владимирович, диссертация по теме Теория корабля и строительная механика

1. Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Караваев В.А. Колебания и волны. Лекции. -Издательство Физического факультета МГУ, 2001. 289 стр.

2. Агеев М.Д., Касаткин Б.А., Киселёв Л.В. и др. Автоматические подводные аппараты // Л. Судостроение, 1981.

3. Атлас волнения и ветра озера Байкал. Л.: Гидрометиздат, 1977. - 254 стр.

4. Банди Б. Методы оптимизации. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

5. С.М. Белоцерковский, Е.М. Моисеев, В.Г. Табачников, Атлас нестационарных аэродинамических характеристик крыльев различной формы в плане. ЦАГИ, Бюро научной информации, 1959. 229 стр.

6. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования.: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. - 248с.

7. Батищев Д.И., Шапошников Д.Е. Многокритериальный выбор с учетом индивидуальных предпочтений: ИПФ РАН. Н. Новгород, 1994. 92с.

8. Я.И. Войткунский, Р. Я. Першиц, И.А. Титов Справочник по теории корабля // Л. Судпромгиз, 1985.

9. В.И. Егоров. Подводные буксируемые системы / Л. Судостроение, 1981. 304 стр.

10. Гаврилов В.М. Курс лекций «Подводные робототехнические системы» на ФМП. -СПбГМТУ, 1998.

11. Зубов В.И. Аналитическая динамика систем.: Л. 1983. 301 стр.

12. Зубов В.И. Проблемы устойчивости процесса управления.: Л. Судостроение, 1980. 193 стр.

13. Зубов В.И. Динамика управляемых систем.: М. Высшая школа, 1982. 174 стр.

14. Зубов В.И. Лекции по теории управления.: М. Наука. 1985. 256 стр.

15. Калинин В. Н., Резников Б. А., Варакин Е. И. Теория систем и оптимального управления.: -Л.: ВИКИ, 1979.-319с.

16. Кини Р.Л., Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. М.: Радио и связь, 1981.- 186 стр.

17. Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука, 2003, 275 стр.

18. Кормилицин Ю.Н., Хализев О.А. Проектирование подводных лодок. Учебник. СПб, 2003.

19. Круглов Г.Е. Аналитическое проектирование механических систем: Учебное пособие: Самарский государственный аэрокосмический университет, Самара, 2001 132 с.

20. Ланне А. А., Улахович Д. А. Многокритериальная оптимизация.-Л.: ВАС, 1984. 94 с.

21. МГК-400ЭМ. Многофункциональный гидроакустический комплекс для подводных лодок, Издательство ЦНИИ «Морфизприбор», 1979, 57 стр.

22. Описание инерциалыюй/спутниковой системы навигации и ориентации «МИНИНАВИГАЦИЯ-1», Издательство ЦНИИ «Электроприбор», 1999, 21 стр.

23. Панов В.Н., Буртный С.П. Методы изучения Мирового Океана в интересах ВМФ // Санкт-Петербург, 2000 г. 331 стр.

24. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов // Л.: Судостроение, 1973.

25. Подиновский В.В. Многокритериальные задачи с упорядоченными по важности критериями. Автоматика и телемеханика, 1976, №11. стр. 71-85.

26. Поздынин В.Д. Мелкомасштабная турбулентность в океане // Рос. акад. наук, Ин-т океанологии им. П.П. Ширшова. М.: Наука, 2002. - 385 стр.

27. Трищевский, Волков, Короткин Аэродинамичекий эксперимент в судостроении. // Судостроение, 1971.

28. Рождественский В.В., Динамика подводной лодки, Судостроение, 1971.

29. Таха X. Введение в исследование операций. В двух книгах. Пер. с англ. М.: Мир, 1985 .

30. Уланов А.В. Анализ альтернативных подходов к организации управляемого движения подводного планирующего аппарата. Труды 4-й конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2002 г.

31. Уланов А.В. Управление подводным планирующим роботом в вертикальной плоскости. Труды Международного конгресса «Молодежь и наука, 3-е тысячелетие», Москва, 15-19 апреля 2002 г.

32. Уланов А.В. Анализ альтернативных подходов к организации управляемого движения весоплана. Труды конференции «Основные направления эксплуатации корабельной техники и тенденции совершенствования инженерного образования», Санкт-Петербург,24 мая 2002 г.

33. Уланов А.В. Определение рациональных параметров системы управления весопланом. Труды 6-й международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, 28-31 мая 2002 г.

34. Уланов А.В. Критерии оптимизации и иерархия математических моделей для подводного планирующего аппарата. Труды 3-й международной конференции по судостроению ISC'2002, Санкт-Петербург, 8-10 октября 2002 г.

35. Уланов А.В. Управление движением подводного планера. Труды 5-й конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2003 г.

36. Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля : М.:, Наука, 1978. 453 стр.

37. Шкадова С.В. Движение подводных аппаратов в условиях течения: Учебное пособие :

38. С-Пб: Изд. СПбГМТУ, 2003, 60 с.

39. Штойер Р Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1992. 504с.

40. A correlation speed log for deep waters / Sea Technology, 39(3), 1998. pp. 29-35.

41. Alpers, W., Theory of radar imaging of internal waves, Nature, 314, 1985, pp. 245-247.

42. Blidberg D. Richard (1), Ageev Mikhail D. (2), Jalbert James C., Some Design Considerations for a Solar Powered AUV; Energy Management and its Impact on Operational Characteristics. Unmanned Untethered Submersible Technology Sept. 7-10,1997. pp. 78-81.

43. Compass HMC1055 Honeywell / Naval Technology, № 9, pp 57-59.

44. Davis, R.E., C.E. Eriksen and C.P. Jones, 2002. Autonomous buoyancy-driven underwater gliders. The Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles. G. Griffiths, ed, Taylor and Francis, London, pp 324-339, 2002.

45. Eriksen Charles C. Seaglider: A Long-Range Autonomous Underwater Vehicle for Oceanographic Research, Charles C. Eriksen, T. James Osse, et al. / IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING VOL. 26 - NO. 4 - OCTOBER 2001, pp. 53-60.

46. Gaiffe Thierry, Ixsea's AUV Navigation System / Underwater magazine, January/February2002, pp 11-15.

47. Graver Joshua G., Bachmayer Ralf, Leonard Naomi Ehrich Underwater Glider Model Parameter Identification // Proc. 13th Int. Symp. on Unmanned Untethered Submersible Technology (UUST)2003,pp.13-20;

48. Farris F.E., Underwater glider, Патент CUJA № 3,157,145,1964.

49. Firing E., Fenander C., Miller J. Profiling current meter measurement from NORPAX Hawaii to Tahiti Shuttle experiment / Data Rep. 39, Hawaii 1st. of Geophys. Univ. of Hawaii, 1981. 146 p.

50. Fundamentals of the TC Duct and pump-controlled flow used on Sea-Bird CTD's. Sea-Bird Electronics, Inc. APPLICATION NOTE NO. 38, December 1992. pp. 67-73.

51. Inclinometer FAS-E Microstrain / Underwater magazine, № 5, pp 17-20.

52. Daron Jones, Case Studies in Navigation & Positioning / Underwater magazine, January/February 2002. pp 57-60.

53. Development and Sea Trials of a Shuttle Type AUV "ALBAC", University of Tokyo Press, 1997, 37 pages.

54. Doneker, R.L., and G.H. Jirka, Discussion of "Mixing in Inclined Dense Jets", Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.125, No.3, March 1999. pp. 57-60.

55. Hoerner, Sighard F. Fluid Dynamic Drag / June 1965, 327 pages.

56. R. M. Hubbard, Hydrodynamics technology for an Advanced Expendable Mobile Target (AEMT) // Applied Physics Laboratory Univ. of Washington, Rep. no. 8013,1980,121 pages.

57. D.E. Humphreys, Jim Osse, Clayton Jones VALIDATION OF THE HYDRODYNAMIC & MANEUVERING MODELS FOR THREE LEGACY UNDERSEA GLIDERS // Proceedings of the 13lh International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology (UUST03) -pp. 123-130.

58. Kearfott Guidance and Navigation Corporation, Seaborne Navigation System, KN-5050 family: Sea Technology № 11,1997, pp. 37-41.

59. Lisiewicz John S. / Unmanned Undersea Vehicles //Naval forces 3/99, pp. 38-45.

60. Maier Wolfgang / Autonomous Undewater Vehicles // Naval Forces 5/2000, pp. 76-81.

61. Mayo, N. Ocean Waves-Their Energy and Power, Physics Teacher 35, 352, September 1997. -195 pages.

62. Paroscientific Digiquarz Depth Sensor 8B // Sea Technology 1999, № 20, pp 23-28.

63. Niewiadomska Katarzyna, Evolution, technology and application of Slocum gliders / International Ocean Systems, January/February 2004, pp. 39-42.

64. Oceanography. 5th Edition, Ingmason and Wallace, Wadsworth Publishing 1995. 511 pages. 68. Osborne, A. R., and T. L. Burch; Internal solitons in the Andaman Sea. Science 208, 69756983.1980.

65. Silberbauer Michael. A STUDY OF PHOSPHORUS DYNAMICS IN THE MAIN BASIN OF SWARTVLEI: SEPTEMBER TO DECEMBER 1980.: Rhodes University, Grahamstown, January 1981.- 138 pages.

66. Simonetti, Paul. (1998) Low-Cost, Endurance Ocean Profiler // Sea Technology, February 1998, -pp. 17-21.

67. Schlichting, Hermann Boundary Layer Theory // McGraw-Hill, New York, 1951,421 pages.

68. Sensors and Actuators A: Physical Volume 107, Issue 2,15 October 2003, pp. 119-124.

69. Sellschopp, J., A towed CTD chain for high-resolution hydrography, Deep-Sea Res., 44, 147165, 1997.

70. Sherman J., Davis R.E., Owens W.B. and Valdes J. The autonomous underwater glider 'Spray.' IEEE Oceanic Eng., 26,437-446,2001.

71. Stabeno P. J., Bond N. A., Kachel N. В., Salo S. A., and Schumacher J. D., On the temporal variability of the physical environment over the south-eastern Bering Sea. Fisheries Oceanography, 10(1), pp. 81-98.

72. Ultrasonics, Volume 42, Issues 1-9, April 2004, Proceedings of Ultrasonics International 2003. pp. 309-314.72. von Arx, William S. An Introduction to Physical Oceanography., Addison-Wesley, 1962. 285 pages.

73. Webb Douglas С., Simonetti Paul J. A SIMPLIFIED APPROACH TO THE PREDICTION AND OPTIMIZATION OF PERFORMANCE OF UNDERWATER GLIDERS // Proceeding of the 10-th International Symposium On Unmanned Underwater Submersible Technology, 1999, pp. 1721.

74. Webb D. C., Simonetti P. J., and Jones C. P. SLOCUM: An underwater glider propelled by environmental energy. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 26(4):447-452, October 2001.

75. Whitman Edward C. Beneath the wave of the future, Undersea warefare / Summer 2002, Vol. 4, No. 3. pp. 32-38.

76. Willard В., Waves and Beaches, Doubleday, 1964, 129 pages.

77. Workhorse Navigator Doppler Log, RD Instruments / IEEE Oceanic Engineering, 17, 2001, pp. 123-131.