Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of SciencesVestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of SciencesВестник Дальневосточного отделения Российской академии наук0869-7698The Russian Academy of Sciences67602910.31857/S0869769824010044leqdseTo the 300th anniversary of the Russian Academy of SciencesК 300‑летию Российской академии наукResearch ArticleDevelopment of methods for autonomous implementation of technological operations by manipulative underwater vehiclesРазработка комплекса методов для автономного выполнения технологических операций манипуляционными подводными аппаратамиhttps://orcid.org/0000-0001-7554-1002KonoplinAlexander Y.КоноплинАлександр Юрьевич
Russian Federation

Candidate of Sciences in Technology, Leading Scientific Researcher

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

kayur-prim@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1102-5409KrasavinNikita A.КрасавинНикита Андреевич
Russian Federation

Scientific Researcher

научный сотрудник

krasyava061@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6849-3700YurmanovAlexander P.ЮрмановАлександр Павлович
Russian Federation

Scientific Researcher

научный сотрудник

yurmanov_a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0812-808XPiatavinPavel A.ПятавинПавел Алексеевич
Russian Federation

Scientific Researcher

научный сотрудник

mcmaster988@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3821-3787KostenkoVladimir V.КостенкоВладимир Владимирович
Russian Federation

Candidate of Sciences in Technology, Leading Scientific Researcher

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

kosten.ko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3040-1345BykanovaAnna Y.БыкановаАнна Юрьевна
Russian Federation

Candidate of Sciences in Technology, Senior Scientific Researcher

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

vladianna@mail.ruAcademician M. D. Ageev Institute of Marine Technology Problems, FEB RASИнститут проблем морских технологий им. академика М. Д. Агеева ДВО РАН150220241547128022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0869-7698/article/view/676029

The article is devoted to the development of a set of methods designed to solve the urgent task of increasing the efficiency of performing expensive manipulative technological operations in the depths of the World Ocean using unmanned underwater vehicles (UUV) equipped with multilink manipulators (MM). Based on the proposed methods, systems for processing sensory information, recognizing the environment, target (control) signals formation and dynamic control of the UUV with MM are synthesized. Due to the coordinated operation of these systems, successful autonomous execution of contact manipulation operations in the UUV hovering mode above or near marine objects is ensured. The developed systems were implemented in hardware and software. In addition, the results of basin experiments and semi-natural modeling confirmed the operability and high efficiency of the proposed methods that expand the UUV functionality.

Описана разработка комплекса методов, предназначенных для решения актуальной задачи повышения эффективности выполнения дорогостоящих манипуляционных технологических операций в глубинах Мирового океана с помощью необитаемых подводных аппаратов (НПА), оснащаемых многозвенными манипуляторами (ММ). На основе предложенных методов синтезированы системы обработки сенсорной информации и распознавания окружающей обстановки, а также формирования программных (целевых) сигналов и динамического управления НПА с ММ. За счет согласованной работы этих систем обеспечивается успешное автономное выполнение контактных манипуляционных операций в режиме зависания НПА над или вблизи морских объектов. Выполнена программно-аппаратная реализация разработанных систем, при этом результаты бассейновых экспериментов и полунатурного моделирования подтвердили работоспособность и высокую эффективность предложенных разработок, расширяющих функциональные возможности НПА.

unmanned underwater vehiclemultilink manipulatorposition-force controlcontact operationscontrol systemvision systemobject identificationtrajectory constructionнеобитаемый подводный аппаратмногозвенный манипуляторпозиционно-силовое управлениеконтактные операциисистема управлениясистема технического зренияидентификация объектовпостроение траекторийThe research was supported by Russian Science Foundation grant № 23-71-10038, https://rscf.ru/project/23-71-10038/Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23–71–10038, https://rscf.ru/project/23-71-10038/Filaretov V. F., Yuhimec D. A. Osobennosti sinteza vysokotochnykh sistem upravleniya skorostnym dvizheniem i stabilizatsiei podvodnykh apparatov v prostranstve = [Features of synthesis of high-precision control systems for high-speed movement and stabilization of underwater vehicles in space]. Vladivostok: Dal’nauka; 2016. 400 p. (In Russ.).Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Особенности синтеза высокоточных систем управления скоростным движением и стабилизацией подводных аппаратов в пространстве. Владивосток: Дальнаука, 2016. 400 с.Manley J. E., Halpin S., Radford N., Ondler M. Aquanaut: A new tool for subsea inspection and intervention. In: OCEANS2018 MTS/IEEE Charleston. Charleston, SC, USA; 2018. P. 1–4. DOI: 10.1109/OCEANS.2018.8604508.Manley J. E., Halpin S., Radford N., Ondler M. Aquanaut: A new tool for subsea inspection and intervention // OCEANS2018 MTS/IEEE Charleston. Charleston, SC, USA, 2018. P. 1–4. DOI: 10.1109/OCEANS.2018.8604508.Marani G., Choi S. K., Yuh J. Underwater autonomous manipulation for intervention missions AUVs. Ocean Engineering. 2009;36(1):15–23. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2008.08.007.Marani G., Choi S. K., Yuh J. Underwater autonomous manipulation for intervention missions AUVs // Ocean Engineering. 2009. Vol. 36, N1. P. 15–23. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2008.08.007.Cao H., Chen X., He Y., Zhao X. Dynamic Adaptive Hybrid Impedance Control for Dynamic Contact Force Tracking in Uncertain Environments. IEEE Access. 2019; 7:83162–83174. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2924696.Cao H., Chen X., He Y., Zhao X. Dynamic adaptive hybrid impedance control for dynamic contact force tracking in uncertain environments // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 83162–83174. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2924696.Cieslak P., Ridao P., Giergiel M. Autonomous Underwater Panel Operation by GIRONA500 UVMS: A Practical Approach to Autonomous Underwater Manipulation. In: 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Seattle, WA, USA; 2015. P. 529–536. DOI: 10.1109/ICRA.2015.7139230.Cieslak P., Ridao P., Giergiel M. Autonomous underwater panel operation by GIRONA500 UVMS: A practical approach to autonomous underwater manipulation // 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Seattle, WA, USA. 2015. P. 529–536. DOI: 10.1109/ICRA.2015.7139230.Kazanin A. G., Kazanin G. S., Ivanov G. I., Sarkisyan M. V. Innovatsionnye tekhnologii pri vypolnenii inzhenerno-geologicheskikh rabot na arkticheskom shel’fe Rossii = [Innovative technologies in the performance of engineering and geological works on the Arctic shelf of Russia]. Nauchnyi zhurnal rossiiskogo gazovogo obshchestva. 2016;(4):25–30. (In Russ.).Казанин А. Г., Казанин Г. С., Иванов Г. И., Саркисян М. В. Инновационные технологии при выполнении инженерно-геологических работ на арктическом шельфе России // Научный журнал российского газового общества. 2016. № 4. С. 25–30.Sivčev S., Rossi M., Coleman J., Dooly G., Omerdić E., Toal D. Fully automatic visual servoing control for work-class marine intervention ROVs. Control Engineering Practice. 2018; 74:153–167. DOI: 10.1016/j.conengprac.2018.03.005.Sivčev S., Rossi M., Coleman J., Dooly G., Omerdić E., Toal D. Fully automatic visual servoing control for work-class marine intervention ROVs // Control Engineering Practice. 2018. Vol. 74. P. 153–167. DOI: 10.1016/j.conengprac.2018.03.005.Youakim D., Dornbush A., Likhachev M., Ridao P. Motion planning for an underwater mobile manipulator by exploiting loose coupling. In: 2018 IEEE/RSJ International conference on intelligent robots and systems (IROS). Madrid, Spain; 2018. P. 7164–7171. DOI: 10.1109/IROS.2018.8593604.Youakim D., Dornbush A., Likhachev M., Ridao P. Motion planning for an underwater mobile manipulator by exploiting loose coupling // 2018 IEEE/RSJ International conference on intelligent robots and systems (IROS). Madrid, Spain, 2018. P. 7164–7171. DOI: 10.1109/IROS.2018.8593604.Yu L., Yang E., Ren P. et al. Inspection robots in oil and gas industry: a review of current solutions and future trends. In: 2019 25th International Conference on Automation and Computing (ICAC). Lancaster, United Kingdom; 2019. P. 1–6. DOI: 10.23919/IConAC.2019.8895089.Yu L., Yang E., Ren P. et al. Inspection robots in oil and gas industry: A review of current solutions and future trends // 2019 25th International Conference on Automation and Computing (ICAC). Lancaster, United Kingdom, 2019. P. 1–6. DOI: 10.23919/IConAC.2019.8895089.Antonelli G. Underwater robots. 3rd ed. In: Springer tracts in advanced robotics. Vol. 96. Switzerland: Springer International Publishing; 2014. 279 p. DOI: 10.1007/978-3-319-02877-4.Antonelli G. Underwater robots. 3rd ed. Switzerland: Springer international publishing, 2014. 279 p. DOI: 10.1007/978-3-319-02877-4. (Springer tracts in advanced robotics; Vol. 96).Penalver A., Perez J., Fernandez J. J., Sales J., Sanz P. J., Garcia J. C., Fornas D., Marin R. Visually-guided manipulation techniques for robotic autonomous underwater panel interventions. Annual Reviews in Control. 2015; 40:201–211. DOI: 10.1016/j.arcontrol.2015.09.012.Penalver A., Perez J., Fernandez J. J., Sales J., Sanz P. J., Garcia J. C., Fornas D., Marin R. Visually-guided manipulation techniques for robotic autonomous underwater panel interventions // Annual Reviews in Control. 2015. Vol. 40. P. 201–211. DOI: 10.1016/j.arcontrol.2015.09.012.Guerneve T., Subr K., Petillot Y. Three-dimensional reconstruction of underwater objects using wide-aperture imaging SONAR. Journal of Field Robotics. 2018;35(6):890–905. DOI: doi.org/10.1002/rob.21783.Guerneve T., Subr K., Petillot Y. Three-dimensional reconstruction of underwater objects using wide-aperture imaging SONAR // Journal of Field Robotics. 2018. Vol. 35, N. 6. P. 890–905. DOI: doi.org/10.1002/rob.21783.Filaretov V. F., Konoplin A. Yu., Konoplin N. Yu. Sistema dlya avtomaticheskogo vypolneniya manipulyatsionnykh operatsii s pomoshch’yu podvodnogo robota = [A system for automatic manipulation operations with the help of an underwater robot]. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie. 2017;(8):543–549. (In Russ.). DOI: 10.17587/mau.18.543-549.Филаретов В. Ф., Коноплин А. Ю., Коноплин Н. Ю. Система для автоматического выполнения манипуляционных операций с помощью подводного робота // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. № 8. C. 543–549. DOI: 10.17587/mau.18.543–549.Boreyko A.A, Vorontsov A. V., Kushnerik A.A, Shcherbatyuk A. F. Algoritmy obrabotki videoizobrazhenii dlya resheniya nekotorykh zadach upravleniya i navigatsii avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov = [Video image processing algorithms for solving some control and navigation tasks of autonomous uninhabited underwater vehicles]. Underwater investigations and robotics. 2010;(1):29–39. (In Russ.).Борейко А. А., Воронцов А. В., Кушнерик А. А., Щербатюк А. Ф. Алгоритмы обработки видеоизображений для решения некоторых задач управления и навигации автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2010. № 1. С. 29–39.Filaretov V. F., Zuev A. V., Gubankov A. S. Upravlenie manipulyatorami pri vypolnenii razlichnykh tekhnologicheskikh operatsii = [Manipulator control when performing various technological operations]. Мoscow: Nauka; 2018. 232 p. (In Russ.).Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Губанков А. С. Управление манипуляторами при выполнении различных технологических операций. М.: Наука, 2018. 232 с.Konoplin A. Yu., Yurmanov A. P., Krasavin N. A., Piatavin P. A. Razrabotka, programmnaya realizatsiya i issledovanie sistemy upravleniya mnogozvennymi manipulyatorami neobitaemykh podvodnykh apparatov pri dinamicheskom pozitsionirovanii nad morskimi ob”ektami = [Development, software implementation, and research of multilink manipulator control system for UUV in dynamic positioning mode above underwater objects]. Underwater investigations and robotics. 2021;(3):4–15. (In Russ.). DOI: 10.37102/1992-4429_2021_37_03_01.Коноплин А. Ю., Юрманов А. П. Красавин Н. А., Пятавин П. А. Разработка, программная реализация и исследование системы управления многозвенными манипуляторами необитаемых подводных аппаратов при динамическом позиционировании над морскими объектами // Подводные исследования и робототехника. 2021. № 3. С. 4–15. DOI: 10.37102/1992-4429_2021_37_03_01.Konoplin A. Yu., Yurmanov A. P., Krasavin N. A., Piatavin P. A., Katsurin A. A. Sistema pozitsionno-silovogo upravleniya podvodnymi apparatami s mnogozvennymi manipulyatorami dlya vypolneniya kontaktnykh manipulyatsionnykh operatsii = [System of position/force control of underwater vehicles with multi-link manipulators for performing contact manipulation operations]. Underwater investigations and robotics. 2022;(4):40–52. (In Russ.). DOI: 10.37102/1992-4429_2022_42_04_04.Коноплин А. Ю., Красавин Н. А., Юрманов А. П., Пятавин П. А., Кацурин А. А. Система позиционно-силового управления подводными аппаратами с многозвенными манипуляторами для выполнения контактных манипуляционных операций // Подводные исследования и робототехника. 2022. № 4. С. 40–52. DOI: 10.37102/1992-4429_2022_42_04_04.Leabourne K. N., Rock S. M. Model development of an underwater manipulator for coordinated arm-vehicle control. In: OCEANS ‘98 Conference Proceedings. Vol. 2. Nice, France; 1998. P. 941–946. DOI: 10.1109/OCEANS.1998.724376.Leabourne K. N., Rock S. M. Model development of an underwater manipulator for coordinated arm-vehicle control // OCEANS’98 Conference Proceedings. Vol. 2. Nice, France. 1998. P. 941–946. DOI: 10.1109/OCEANS.1998.724376.McLain T.W., Rock S. M., Lee M. J. Experiments in the coordinated control of an underwater arm/vehicle system. Autonomous Robots. 1996;3(2–3):213–232. DOI:10.1007/BF00141156.McLain T.W., Rock S. M., Lee M. J. Experiments in the coordinated control of an underwater arm/vehicle system // Autonomous Robots. 1996. Vol. 3, N2/3. P. 213–232. DOI: 10.1007/BF00141156.Kostenko V. V., Bykanova A. Yu., Tolstonogov A. Yu. Developing the multilink manipulator system for an autonomous underwater vehicle. In: 2022 International Conference on Ocean Studies (ICOS). Vladivostok, Russian Federation; 2022. P. 45–50. DOI: 10.1109/ICOS55803.2022.10033371.Kostenko V. V., Bykanova A. Yu., Tolstonogov A. Yu. Developing the multilink manipulator system for an autonomous underwater vehicle // 2022 International conference on ocean studies (ICOS). Vladivostok, Russian Federation, 2022. P. 45–50. DOI: 10.1109/ICOS55803.2022.10033371.Babaev R. A., Borovik A. I., Vaulin Yu.V., Eliseenko G. D., Mikhailov D. N., Naidenko N. A. Primenenie ANPA MMT-3500 dlya nauchnykh issledovanii v Atlanticheskom sektore Antarktiki = [Application of AUV MMT-3500 for scientific research in the Atlantic sector of Antarctica]. Underwater investigations and robotics. 2022;(3):15–32. (In. Russ.). DOI: 10.37102/1992-4429_2022_41_03_02.Бабаев Р. А., Боровик А. И., Ваулин Ю. В., Елисеенко Г. Д., Михайлов Д. Н., Найденко Н. А. Применение АНПА ММТ-3500 для научных исследований в Атлантическом секторе Антарктики // Подводные исследования и робототехника. 2022. № 3. С. 15–32. DOI: 10.37102/1992–4429_2022_41_03_02.