moitvivt Моделирование, оптимизация и информационные технологии Modeling, Optimization and Information Technology 2310-6018 Издательство 10.26102/2310-6018/2024.46.3.029 1695 Концепция системы динамического позиционирования необитаемых подводных аппаратов малого класса на основе визуальной одометрии Concept of dynamic positioning system for unmanned small-class underwater vehicles based on visual odometry Алиагаев Альберт Русланович Aliagaev Albert Ruslanovich aff-1 0000-0001-9058-123X Ажмухамедов Искандар Маратович Azhmukhamedov Iskandar Maratovich aim_agtu@mail.ru aff-2 Хоменко Татьяна Владимировна Khomenko Tatyana Vladimirovna aff-3 Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева Astrakhan State University named after V.N. Tatishchev Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева Astrakhan State University named after V.N. Tatishchev Астраханский государственный технический университет Astrakhan State Technical University 01 01 2026 1 1 10.26102/2310-6018/2024.46.3.029 Copyright © Авторы, 2026 2026 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License

Статья посвящена актуальной проблеме подводной робототехники – задаче динамического позиционирования необитаемых подводных аппаратов малого класса. Особое внимание уделено способам навигации необитаемых подводных аппаратов и методам создания системы динамического позиционирования, включающих в себя методы синтеза наблюдателя, регулятора и методы распределения управляющих воздействий на движительно-рулевой комплекс необитаемых подводных аппаратов. Выявлено, что в существующих системах динамического позиционирования для формирования обратной связи по положению и скорости необитаемых подводных аппаратов преимущественно используются дорогостоящие гидроакустические навигационные системы и доплеровские измерители скорости. Не все необитаемые подводные аппараты малого класса бюджетного сегмента оснащаются такими системами, тогда как видеосистемы и инерциальные датчики присутствуют практически в каждом аппарате. С развитием бортовых вычислительных средств становится возможным использовать алгоритмы визуальной одометрии для навигации необитаемых подводных аппаратов по данным с видеосистемы в качестве альтернативы гидроакустической навигации в задаче динамического позиционирования. Предложена концепция архитектуры системы динамического позиционирования необитаемых подводных аппаратов малого класса на основе визуальной одометрии, которая способствует уменьшению стоимости навигационного оборудования и позволяет повысить производительность подводно-технических работ.

The article is devoted to the actual problem of underwater robotics - the problem of dynamic positioning of unmanned underwater vehicles of small class. Particular attention is paid to the methods of navigation of unmanned underwater vehicles and methods for creating a dynamic positioning system, including methods for the synthesis of an observer, a regulator and methods for distributing control actions on the propulsion and steering complex of unmanned underwater vehicles. It is revealed that in the existing dynamic positioning systems, expensive hydro acoustic navigation systems and Doppler speed meters are mainly used to generate feedback on the position and speed of unmanned underwater vehicles. Not all unmanned submersibles of the small class of the budget segment are equipped with such systems, while video systems and inertial sensors are present in almost every device. With the development of onboard computing facilities, it becomes possible to use visual odometry algorithms for navigation of unmanned underwater vehicles based on data from a video system as an alternative to hydro acoustic navigation in the task of dynamic positioning. The concept of architecture of the system of dynamic positioning of unmanned underwater vehicles of small class based on visual odometry is proposed, which helps to reduce the cost of navigation equipment and allows to increase the productivity of underwater technical work.

 динамическое позиционирование необитаемый подводный аппарат навигационная система визуальная одометрия система управления dynamic positioning unmanned underwater vehicle navigation system visual odometry control system Исследование выполнено без спонсорской поддержки. The study was performed without external funding. References Cui W., Fu S., Hu Z. Encyclopedia of Ocean Engineering. Singapore: Springer; 2022. 2177 p. https://doi.org/10.1007/978-981-10-6946-8 Инзарцев А.В., Киселев Л.В., Костенко В.В., Матвиенко Ю.В., Павин А.М., Щербатюк А.Ф. Подводные робототехнические комплексы: системы, технологии, применение. Владивосток: Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук; 2018. 368 с. Гладкова О.И., Вельтищев В.В., Егоров С.А. Концепция информационно-управляющей системы телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с комбинированными средствами движения для бездокового освидетельствования корпусов судов. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2020;(3):55–63. https://doi.org/10.17213/1560-3644-2020-3-55-63 Ефимов С.В., Князев С.И., Яцун С.Ф. Изучение управляемого движения малогабаритного подводного комплекса-анализатора загрязнений акватории. Cloud of Science. 2020;7(3):488–497. Филаретов В.Ф., Коноплин А.Ю., Коноплин Н.Ю. Система для автоматического выполнения манипуляционных операций с помощью подводного робота. Мехатроника, автоматизация, управление. 2017;18(8):543–549. https://doi.org/10.17587/mau.18.543-549 Костенко В.В., Павин А.М. Автоматическое позиционирование необитаемого подводного аппарата над объектами морского дна с использованием фотоизображений. Подводные исследования и робототехника. 2014;(1):39–47. Данцевич И.М., Тарасенко А.А. Полуавтоматическое управление телеуправляемыми подводными аппаратами в задачах обследования подводных трубопроводов. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2012;(12):42–47. Литвишко И.Р. Динамическое позиционирование автономного необитаемого подводного аппарата в мелководной зоне при воздействии внешних возмущений. Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2022;18(1):72–82. https://doi.org/10.25559/SITITO.18.202201.72-82 Костенко В.В., Ляхов Д.Г., Мокеева И.Г. К вопросу оценки эффективности использования телеуправляемых подводных аппаратов обследовательского класса. Технические проблемы освоения Мирового океана. 2011;4:97–104. Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А. Двухконтурная система с эталонной моделью для управления пространственным движением грузового необитаемого подводного аппарата. Мехатроника, автоматизация, управление. 2021;22(3):134–144. https://doi.org/10.17587/mau.22.134-144 Dukan F., Ludvigsen M., Sørensen A.J. Dynamic positioning system for a small size ROV with experimental results. In: OCEANS 2011 IEEE – Spain, 06–09 June 2011, Santander, Spain. IEEE; 2011. pp. 1–10. https://doi.org/10.1109/Oceans-Spain.2011.6003399 Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А., Зуев А.В., Жирабок А.Н. Разработка системы управления пространственным движением автономных необитаемых подводных аппаратов с аккомодацией к дефектам в их движителях. Робототехника и техническая кибернетика. 2021;9(4):280–288. https://doi.org/10.31776/RTCJ.9405 Hosseinnajad A., Loueipour M. Design of a Robust Observer-based DP Control System for an ROV with Unknown Dynamics Including Thruster Allocation. In: 2021 7th International Conference on Control, Instrumentation and Automation (ICCIA), 23–24 February 2021, Tabriz, Iran. IEEE; 2021. pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/ICCIA52082.2021.9403543 Liu S., Wang D., Poh E.K. Dynamic positioning of AUVs in shallow water environment: observer and controller design. In: 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics: Proceedings, 24–28 July 2005, Monterey, USA. IEEE; 2005. pp. 705–710. https://doi.org/10.1109/AIM.2005.1511065 Liu S., Wang D., Poh E.K. Output feedback control design for station keeping of AUVs under shallow water wave disturbances. International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2009;19(13):1447–1470. https://doi.org/10.1002/rnc.1387 Gao J., Liu Ch., Proctor A. Nonlinear model predictive dynamic positioning control of an underwater vehicle with an onboard USBL system. Journal of Marine Science and Technology. 2016;21(1):57–69. https://doi.org/10.1007/s00773-015-0332-3 Gao J., Wu P., Li T., Proctor A. Optimization-based model reference adaptive control for dynamic positioning of a fully actuated underwater vehicle. Nonlinear Dynamics. 2017;87(4):2611–2623. https://doi.org/10.1007/s11071-016-3214-2 Ohrem S.J., Amundsen H.B., Caharija W., Holden C. Robust adaptive backstepping DP control of ROVs. Control Engineering Practice. 2022;127. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2022.105282 Cao Y., Li B., Li Q., Stokes A.A., Ingram D.M., Kiprakis A. A Nonlinear Model Predictive Controller for Remotely Operated Underwater Vehicles With Disturbance Rejection. IEEE Access. 2020;8:158622–158634. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3020530 Бобков В.А., Машенцев В.Ю. Навигация подводного робота по стереоизображениям. Мехатроника, автоматизация, управление. 2016;17(2):101–109. https://doi.org/10.17587/mau.17.101-109 Ferrera M., Moras J., Trouvé-Peloux P., Creuze V. Real-Time Monocular Visual Odometry for Turbid and Dynamic Underwater Environments. Sensors. 2019;19(3). https://doi.org/10.3390/s19030687 Zhang S., Zhao S., An D., Liu J., Wang H., Feng Y., Daoliang L., Zhao R. Visual SLAM for underwater vehicles: A survey. Computer Science Review. 2022;46. https://doi.org/10.1016/j.cosrev.2022.100510 Wang X., Fan X., Shi P., Ni J., Zhou Z. An Overview of Key SLAM Technologies for Underwater Scenes. Remote Sensing. 2023;15(10). https://doi.org/10.3390/rs15102496 Костенко В.В., Толстоногов А.Ю. Методы решения задачи распределения управляющих воздействий на исполнительные механизмы подводного аппарата: краткий обзор. Подводные исследования и робототехника. 2021;(1):4–17. https://doi.org/10.37102/1992-4429_2021_35_01_01 Fossen T.I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd.; 2011. 600 p. Борейко А.А., Ваулин Ю.В., Костенко В.В., Матвиенко Ю.В., Михайлов Д.Н., Павин А.М. Навигационное и алгоритмическое обеспечение комплекса АНПА-ТНПА при решении задач мониторинга донной поверхности. Известия ЮФУ. Технические науки. 2014;(3):112–127. Вавилова Н.Б., Парусников Н.А., Субханкулова Г.А. Навигация автономного подводного аппарата при помощи корректируемой бескарданной инерциальной навигационной системы. Труды МАИ. 2016;(89). URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_27174462_51258828.pdf Юхимец Д.А., Губанков А.С. Навигационная система автономного подводного аппарата на основе данных, передаваемых по акустическому каналу от гидроакустической станции. Известия ЮФУ. Технические науки. 2023;(1):227–240. https://doi.org/10.18522/2311-3103-2023-1-227-240 Hidalgo F., Kahlefendt C., Bräunl T. Monocular ORB-SLAM Application in Underwater Scenarios. In: 2018 OCEANS – MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans (OTO), 28–31 May 2018, Kobe, Japan. IEEE; 2018. pp. 1–4. https://doi.org/10.1109/OCEANSKOBE.2018.8559435 Dabove P., Di Pietra V., Piras M. Monocular Visual Odometry with Unmanned Underwater Vehicle Using Low Cost Sensors. In: 2020 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS), 20–23 April 2020, Portland, USA. IEEE; 2020. pp. 810–816. https://doi.org/10.1109/PLANS46316.2020.9109841 Xu Z., Haroutunian M., Murphy A.J., Neasham J., Norman R. An Integrated Visual Odometry System for Underwater Vehicles. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2021;46(3):848–863. https://doi.org/10.1109/JOE.2020.3036710 Li M., Yang Ke., Qin J., Zhong J., Jiang Z., Su Q. Comparative study on real-time pose estimation of vision-based unmanned underwater vehicles. Cobot. 2023;2. https://doi.org/10.12688/cobot.17642.2 Campos C., Elvira R., Rodríguez J.J.G., Montiel J.M.M., Tardós J.D. ORB-SLAM3: An Accurate Open-Source Library for Visual, Visual–Inertial, and Multimap SLAM. IEEE Transactions on Robotics. 2021;37(6):1874–1890. https://doi.org/10.1109/TRO.2021.3075644 Zhan H., Weerasekera C.S., Bian J.-W., Garg R., Reid I. DF-VO: What Should Be Learnt for Visual Odometry? URL: https://arxiv.org/abs/2103.00933 [Accessed 30th August 2024]. Kinsey J.C., Yang Q., Howland J.C. Nonlinear Dynamic Model-Based State Estimators for Underwater Navigation of Remotely Operated Vehicles. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2014;22(5):1845–1854. https://doi.org/10.1109/TCST.2013.2293958 Hosseini M., Seyedtabaii S. Robust ROV path following considering disturbance and measurement error using data fusion. Applied Ocean Research. 2016;54:67–72. https://doi.org/10.1016/j.apor.2015.10.009 Jin X.-B., Robert Jeremiah R.J., Su T.-L., Bai Y.-T., Kong J.-L. The New Trend of State Estimation: From Model-Driven to Hybrid-Driven Methods. Sensors. 2021;21(6). https://doi.org/10.3390/s21062085 Wang B., Chen C., Jiang Z., Zhao Y. ROV State Estimation Using Mixture of Gaussian Based on Expectation-Maximization Cubature Particle Filter. Applied Sciences. 2023;13(10). https://doi.org/10.3390/app13105885

The authors declare that there are no conflicts of interest present.