Algorithmic support for the AUV operation under ice in the polar regions

Abstract

В настоящее время множество актуальных задач связано с изучением покрытых льдом приполярных акваторий: мониторинг морских биоресурсов, обследование нижней кромки льда, инспекция объектов подводной инфраструктуры и т. д. Использование для этих целей автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) позволяет экономить значительные материальные и людские ресурсы. Основные проблемы во время движения АНПА при выполнении таких работ доставляют неровная нижняя поверхность льда (включая ледяные кили) и необходимость поиска полыней для всплытия в случае непредвиденной ситуации. В статье рассматриваются алгоритмы работы информационно-управляющей системы АНПА, предназначенные для решения указанных задач. Алгоритмы обеспечивают движение АНПА подо льдом на различных горизонтах, со стабилизацией заданного отстояния от нижней кромки льда (если возможно), а также в покрытых льдом мелководных акваториях. Для избегания столкновений с возможными препятствиями предусмотрены варьируемые приоритеты стабилизации вертикального и горизонтального каналов управления. Для получения информации об окружающей ледовой обстановке используется эхолокационная система, состоящая из нескольких сонаров с фиксированными диаграммами направленности в передней полусфере АНПА. Поиск полыней для всплытия производится на основе данных от ориентированного вверх эхолокатора. Работоспособность алгоритмов подтверждена с применением методов математического моделирования. Currently, many actual tasks are associated with the survey ice-covered circumpolar water areas: monitoring of marine biological resources, inspection of the lower edge of the ice, inspection of underwater infrastructure facilities, etc. The use of autonomous underwater vehicles (AUV) for these purposes allows one to save significant material and human resources. The main problems during the movement of the AUV when performing such work are the uneven lower surface of the ice (including ice keels) and the need for finding ice holes for surfacing in case of an unforeseen situation. The article discusses the algorithms of the AUV information and control system, designed to solve these problems. The algorithms ensure the movement of the AUV under the ice at various horizons, with the stabilization of a given distance from the lower edge of the ice (if possible), as well as in ice-covered shallow waters. To avoid collisions with possible obstacles, variable priorities for stabilization of vertical and horizontal control channels are provided. To obtain information about the surrounding ice conditions, an echolocation system consisting of several sonars with fixed directional patterns in the AUV's anterior hemisphere is used. The search for a ice hole for surfacing is based on data from an upward-oriented sonar. The efficiency of the algorithms has been confirmed using mathematical modeling methods. Key words: autonomous underwater vehicle (AUV), movement under ice, obstacle avoidance, surfacing in ice hole, information and control system.