Методы имитационного моделирования систем управления движением подводного аппарата

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»
В.В. Вельтищев, А.Б. Минеев
Методы имитационного моделирования 
систем управления движением 
подводного аппарата
Учебное пособие

УДК 004.94
ББК 22.253
        В28
Издание доступно в электронном виде по адресу
ebooks.bmstu.press/catalog/299/book1840.html
Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Подводные аппараты и роботы»
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
Рецензент
канд. техн. наук доцент В.Б. Маничев
Вельтищев, В. В.
Методы имитационного моделирования систем управления движением 
В28
подводного аппарата : учебное пособие / В. В. Вельтищев, А. Б. Минеев. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 122, [2] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-4914-9
Рассмотрены базовые методы алгоритмизации движения подводных 
аппаратов в водной среде с учетом действия гидродинамических сил, моментов и присоединенных масс. Представлены основы принятия проектных 
решений применительно к подводной робототехнике. Приведен пример 
разработки программного комплекса подводного робототехнического
аппарата.
Для студентов машиностроительных специальностей, а также для всех 
желающих расширить свои познания в области программирования имитационного моделирования сложных систем. 
УДК 004.94
ББК 22.253
©	 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
©	 Оформление. Издательство
	
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
ISBN 978-5-7038-4914-9

ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие основано на материалах лекций по разработке систем 
управления робототехническими системами, которые автор читал в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана на протяжении ряда лет, и предназначено для студентов 
бакалавриата, обучающихся по направлению «Мехатроника и робототехника» 
профиля подготовки «Подводные робототехнические комплексы и системы», 
для самостоятельной подготовки по курсу «Основы автоматизированного 
проектирования мехатронных и робототехнических систем». Содержание
и структура пособия соответствуют рабочей программе дисциплины. Учебное 
пособие ориентировано на формирование практических проектных компетенций в рассматриваемой области подводной робототехники и на систематизацию знаний, необходимых для проектирования систем управления
и разработки конструкций подводных аппаратов (ПА). Последовательное 
изучение материала позволит учащимся сформировать навыки системного 
построения программного имитационного комплекса. 
В пособии рассмотрены теоретические и прикладные вопросы, с которыми сталкиваются разработчики подводной робототехники, элементы теории автоматического управления, основы принятия проектных решений при 
проектировании подводных автоматических аппаратов.
Пособие знакомит со средствами построения моделирующего комплекса, 
включающего создание цифровой модели ПА и модели системы управления 
движением, которые составляют неразрывную цепочку: построение геометрической модели, определение основных массоинерционных параметров, 
алгоритмизация модели движения, разработка программ физического движения в водной среде, компьютерная визуализация телевизионного изображения и интерпретация результатов моделирования.
На примере конкретного проекта показано, как создается учебный имитационный вычислительный комплекс моделирования, предназначенный для 
исследования поведения ПА в водной среде. Такие задачи всегда возникают, 
когда требуется разработка специальных средств автоматизации проектирования движительного комплекса.
Изучение методов и средств построения имитационных моделей базируется на использовании инструментальной среды пакета «Моделирование
в технических устройствах» (МВТУ) и оригинальной программы, написанной 
с использованием интегрированной среды Visual Studio. 
Предложен современный инструментарий, необходимый студентам бакалавриата при программировании задач управления сложными системами. 
Для самостоятельного контроля усвоения материала в пособии предусмотрены контрольные вопросы, сгруппированные по главам. В приложении 1 
приведены варианты заданий.
В пособии рассмотрена последовательность разработки программного 
комплекса динамического моделирования подводного телеуправляемого 
аппарата (см. пример в приложениях 2, 3). В приложении 4 представлен 

Предисловие
фрагмент программы — пример исходного кода программы имитационного 
моделирования.
В тексте приняты следующие выделения: голубой — имена функций 
программ, файлов, путей, окон и команд Visual Studio, IP-адреса машин, 
порты обмена, вводимые консольные команды; зеленый — номер строки 
оператора (см. приложение 4).
Изучив материал пособия, студент будет: 
знать: 
•
• элементы теории движения ПА;
•
• параметры, определяющие математическую модель движения для программирования имитационной модели;
•
• технологию программирования поведения модели в виртуальном мире;
•
• принципы построения системы управления ПА и ее функционирование 
при взаимодействии с динамической моделью движения;
•
• методы реализации и алгоритмизации моделей с использованием современных программно-технических средств;
уметь:
•
• применять методы имитационного моделирования при изучении и исследовании систем управления подводными телеуправляемыми аппаратами; 
•
• проектировать размещение движителей для заданных тактико-технических требований; 
•
• разрабатывать и отлаживать структурные схемы систем управления; 
•
• реализовывать структурные схемы систем управления с использованием пакета прикладных программ моделирования МВТУ;
•
• создавать и описывать визуальные объекты управления;
•
• формировать модели на основе использования распределенных вычислений;
•
• анализировать методы и алгоритмы обработки операций над виртуальными объектами и структурами информации;
владеть навыками:
•
• настройки имитатора движительного комплекса;
•
• выполнения алгоритмов по визуальному отображению и телеметрической информации;
•
• оценки влияния конструктивных параметров и настроек системы 
управления; 
•
• настройки системы управления по результатам испытаний.
Для успешного освоения материала пособия студенты должны иметь 
базовые знания по математике, теоретической механике, информатике
и машинной графике. 
Издание будет полезно студентам как для практических занятий под руководством преподавателя, так и для самостоятельного выполнения заданий, 
а также читателям, желающим расширить свои познания в области программирования имитационного моделирования сложных систем. 
Авторы будут признательны за замечания и предложения по содержанию 
учебного пособия. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АЦП
— аналого-цифровой преобразователь
ВМА
— винтомоторный агрегат
ГАНС — гидроакустическая навигационная система
ИМ
— имитационная модель
МВТУ — программный комплекс «Моделирование в технических
устройствах»
МПСУ — микропроцессорная система управления
МУ
— манипуляционное устройство
ПА
— подводный аппарат
РУД
— рукоятка управления движением
СК
— система координат
СПУ
— спускоподъемное устройство
СУ
— система управления
ТПА
— телеуправляемый подводный аппарат
ЦАП
— цифроаналоговый преобразователь
ROV
— Remote Operated Vehicle, телеуправляемый подводный аппарат

Глава 1. ПОДВОДНЫЙ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫЙ АППАРАТ
1.1. Проектирование подводного аппарата
Проектирование подводных аппаратов (ПА) и создание для них систем 
управления (СУ) всегда связаны друг с другом. Здесь нельзя сначала полностью разработать конструкцию будущего аппарата, а затем приступить
к созданию СУ. Эти работы обычно выполняют параллельно, и принятие 
решения по техническим и программным проблемам проходит одновременно.
Для повышения эффективности таких исследований и ускорения разработок создают и используют специализированные программные комплексы 
для модельных испытаний. Они помогают на этапе предварительных разработок быстро найти, проверить несколько вариантов технических решений, 
оптимизировать параметры и отработать работу СУ движением. 
На этапах предварительной разработки программные комплексы моделирования позволяют не проводить морские испытания, снизить риски, 
экономические затраты и быстро получить оптимальное решение. Такие 
комплексы относятся к классу систем имитационного моделирования. 
Имитационная модель (ИМ) — это компьютерная программа, которая 
достоверно описывает структуру технического устройства и воспроизводит 
поведение системы в реальном времени. Модели используют для проведения 
экспериментов на компьютере в целях анализа функционирования основных 
систем на этапах проектирования конструкции, предварительных испытаний 
модели СУ и обучения экипажа ПА.
В теории имитационного моделирования изучают методы программирования моделей, отображающих работу технической системы на мониторах
с помощью графических представлений. 
Для чего нам нужны компьютерные модели? Модель помогает определить 
закономерности изменения параметров во времени. При создании модели 
выявляется структура и математическое представление технического объекта. 
В процессе моделирования важно определить существенные свойства 
объекта.
Назначение ИМ:
•
• оптимизация параметров и исследование режимов работы модели;
•
• полная замена реального объекта при обучении;
•
• управление техническими системами при лабораторных испытаниях;
•
• замена будущих технических СУ на ранних стадиях проектирования.

1.1. Проектирование подводного аппарата
В подводных системах имитационное моделирование должно обеспечивать 
симуляцию работы судового, спускоподъемного и навигационного оборудования, работы ПА. Большинство этих систем приходится моделировать на 
компьютерных имитаторах (рис. 1.1). Такое моделирование включает создание подводного телевизионного изображения, физическое моделирование 
работы механических систем, работы манипуляторов, имитацию движения 
телеуправляемого подводного аппарата (ТПА) с учетом влияния кабеля, воссоздание модели дна, определение столкновений с объектами, постановку 
подводных технологических миссий. 
Рис. 1.1. Тренажерный обучающий комплекс оператора ПА
Кроме того, в системах имитационного моделирования могут применяться реальные пультовые комплексы или их имитаторы.
Создание системы имитационного моделирования проводится на основе 
математического описания уравнений процессов и логики событий, происходящих в реальных подводных комплексах. Например, для описания движения ПА используют дифференциальные уравнения, учитывающие все 
факторы, влияющие на характер такого движения. 
Системы имитационного моделирования позволяют получать подробную 
статистику работы систем в зависимости от конфигурации оборудования, 
настройки параметров СУ и выполняемых миссий. На ИМ можно многократно воспроизводить испытания для различных ситуаций, условий применения и типов ПА.

Глава 1. Подводный телеуправляемый аппарат
При этом все события в ИМ определяются заданным или случайным 
характером физических явлений, процессов, параметров и связей, по которым 
можно наглядно изучить работу устройства и получить достоверную информацию о работе систем или о действиях обучаемого оператора, если речь идет 
о тренажерном комплексе.
Имитационное моделирование применяют на различных стадиях разработки и испытаний ПА, в том числе: 
•
• эскизного проектирования, когда конструкция аппарата подвергается 
исследованиям для выбора движительного комплеска и оценки возможности 
управления;
•
• исследования систем, когда затруднены аналитические описания из-за 
наличия многочисленных причинных связей или нелинейностей;
•
• формирования реальной СУ подводного комплекса для окончательного выбора параметров; 
•
• испытаний, когда опасно проводить эксперимент с использованием 
реального ПА;
•
• исследования поведения СУ в течение длительного времени;
•
• обучения экипажа на тренажерных комплексах.
Имитационое моделирование незаменимо в подводной робототехнике 
при изучении процессов, для которых затруднено аналитическое представление моделей и не разработаны аналитические методы исследования модели. Например, это касается анализа поведения ПА в сложной гидродинамической обстановке и при воздействии случайных параметров. В таких 
случаях аналитическую модель заменяют имитационной.
Применяемые аппаратные средства и вычислительные ресурсы во многом 
определяют точность и скорость вычислительного процесса. Возможности 
оборудования и достаточность вычислительных ресурсов определяют применимость тех или иных математических алгоритмов. При моделировании 
всегда стремятся обеспечить режим реального времени. В этом случае имеется возможность изучения явлений, связанных с управлением технической 
системой, без экспериментов на реальном аппарате. 
Среда моделирования должна поддерживать визуализацию объектов проектирования, имитировать динамическое движение ПА, выполнение экспериментов, оптимизацию параметров, документирование процессов. Для 
этого применяют программные средства машинной графики, основанные на 
использовании графических библиотек, аппаратных графических и физических акселераторов. 
Подводный телеуправляемый комплекс сложен по своему составу (рис. 1.2). 
Он включает:
•
• ПА;
•
• специализированное спускоподъемное устройство (СПУ);
•
• модуль управления;
•
• гараж.

1.1. Проектирование подводного аппарата
Рис. 1.2. Состав подводного телеуправляемого комплекса
Как известно, управление подводными аппаратами требует от операторов 
большой практики. Тренировки по отработке управления проводят на тренажерном комплексе, который размещается на судне. Ввиду опасности потери дорогостоящего аппарата начальную подготовку операторов проводят 
на тренажерах (см. рис. 1.1). Только после этого переходят к обучению на 
реальных подводных комплексах.
Разрабатываемая модель является неким прототипом такого тренажера, 
позволяющего воспроизвести динамику движения ПА на экране компьютера. 
Для создания реального подводного тренажера необходимо разработать 
много дополнительных программных подсистем. В тренажере такие задачи 
компонуются в отдельные модули, выполняющие следующее:
•
• решение уравнений движения геометрической модели ПА;
•
• моделирование программы СУ ПА;
•
• решение уравнения состояния кабеля и его реакции на ПА;
•
• моделирование навигационного информационно-измерительного комплекса;
•
• моделирование СУ корабля-носителя;
•
• имитацию геометрической модели морского дна;
•
• моделирование контактных задач ПА с морским дном и другими объектами;
•
• моделирование гидроакустической обстановки;
•
• моделирование работы телекамер ПА;
•
• имитацию гидролокационной картины; 
•
• моделирование гидролокационных средств наблюдения;

Глава 1. Подводный телеуправляемый аппарат
•
• моделирование СУ подводного комплекса (СПУ, лебедок, манипуляторов и т. п.);
•
• моделирование систем энергетики;
•
• моделирование работы пультов и органов управления; 
•
• моделирование работы вычислительных устройств.
Для взаимодействия модулей создают сетевую среду, устанавливают необходимые протоколы связей по передаче данных. Во время работы модули 
связаны между собой по согласованным протоколам. В операционной системе каждый модуль исполнен самостоятельно и взаимодействует с остальными модулями либо напрямую, либо через ядро системы. 
Структура программного комплекса определяется задачами выполнения 
следующих режимов работы:
•
• свободное движение ПА в водной среде;
•
• динамическое позиционирование ПА в точке;
•
• стабилизация линейных скоростей по маршу;
•
• стабилизация линейных скоростей по лагу;
•
• стабилизация линейных скоростей по глубине;
•
• стабилизация по курсу, крену или дифференту;
•
• стабилизация при работе манипуляционного комплекса.
Режимы управления показаны на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Степени управления движением ПА
Разрабатываемый программный комплекс будет содержать два независимых модуля — «Система управления» (модуль СУ) и «Динамика».
Модуль СУ создается в виде структурной схемы с помощью пакета МВТУ. 
Среда МВТУ предназначена для детального исследования и анализа дина