priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-1-70-79pribor-8Research ArticleПРИБОРЫ НАВИГАЦИИNAVIGATION DEVICESАлгоритм обнаружения сбоев инерциальной навигационной системы на безэкипажном надводном суднеAlgorithm for detecting failures of an inertial navigation system on an unmanned surface vesselГалкинаД. А.GalkinaD. A.

Дарья Алексеевна Галкина - аспирант; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербург 

Daria A. Galkina - Post-Graduate Student; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg 

da.galkina@itmo.ruМаргунА. А.MargunA. A.

Алексей Анатольевич Маргун - канд. техн. наук; факультет систем управления и робототехники; доцент; ст. научный сотрудник

Санкт-Петербург 

Alexey A. Margun - PhD; Faculty of Control Systems and Robotics; Associate Professor; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the RAS; Senior Researcher

St. Petersburg 

aamargun@itmo.ruУниверситет ИТМОITMO UniversityУниверситет ИТМО ; Институт проблем машиноведения РАНITMO University ; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the RAS2024221120246717079Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/8

Рассматривается решение задачи обнаружения отказов датчиков инерциальной навигационной системы безэкипажного надводного судна. Предложен алгоритм, основанный на наблюдателе состояния полного порядка. Введено условие обнаружения отказов, базирующееся на векторе сигнала рассогласования и пороговом значении. Для выявления вышедшего из строя датчика применяются направленные генераторы сигналов рассогласования. Предлагаемый алгоритм применен к модели судна Номото второго порядка. В качестве исследуемых на отказы датчиков выбраны измерители угловой и линейной скоростей. В процессе синтеза алгоритма обнаружения отказов построены два наблюдателя, каждый из которых чувствителен к отказам отдельного датчика. Приведены результаты компьютерного моделирования в программном пакете MatLab Simulink, подтвердившие эффективность и работоспособность предложенного подхода. Разработанный алгоритм позволяет обнаруживать отказы датчиков инерциальной навигационной системы без задействования дополнительных средств измерения, что способствует сокращению расходов на обслуживание и диагностику, а также уменьшению времени обнаружения неполадок.

The solution to the problem of detecting failures of sensors in the inertial navigation system of an unmanned surface vessel is considered. An algorithm based on a full order state observer is proposed. A failure detection condition is introduced based on the mismatch signal vector and threshold value. To detect a failed sensor, directional mismatch signal generators are used. The proposed algorithm is applied to the second-order Nomoto vessel model. Angular and linear velocity meters were selected as sensors tested for failures. In the process of synthesis of the failure detection algorithm, two observers were constructed, each of which is sensitive to failures of an individual sensor. Results of computer simulation in the MatLab Simulink software package are presented, confirming the effectiveness and efficiency of the proposed approach. The developed algorithm makes it possible to detect failures of inertial navigation system sensors without using additional measuring instruments, which helps reduce maintenance and diagnostic costs, as well as reduce the time spent on detecting problems.

надводное суднобезэкипажное судномодель Номотообнаружение отказовдиагностированиеинерциальная навигационная системаsurface vesselunmanned vesselNomoto modelfailure detectiondiagnosticsinertial navigation systemРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-79-10071; https://rscf.ru/project/23-79-10071/.The work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 23-79-10071; https://rscf.ru/project/23-79-10071/.ReferencesАнучин О. Н., Емельянцев Г. И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. СПб: Электроприбор, 2003. 390 с.Anuchin O.N., Emelyantsev G.I. Integrirovannyye sistemy oriyentatsii i navigatsii dlya morskikh podvizhnykh ob"yektov (Integrated Orientation and Navigation Systems for Marine Mobile Objects), St. Petersburg, 2003, 390 р. (in Russ.)Лян Ц., Литвиненко Ю. А., Степанов О. А. Метод обработки измерений от двух блоков микромеханических гироскопов при решении задачи ориентации // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26, № 2(101). С. 29—42.Liang Ts., Litvinenko Yu.A., Stepanov O.A. Gyroscopy and Navigation, 2018, no. 2(26), pp. 29–42. (in Russ.)Литвиненко Ю. А. Оптимизация алгоритмов инерциальной навигационной системы морских объектов: Автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб: 2005.Litvinenko Yu.A. Optimizatsiya algoritmov inertsial'noy navigatsionnoy sistemy morskikh ob"yektov (Optimization of Algorithms for the Inertial Navigation System of Marine Objects), Extended abstract of Candidate’s thesis, St. Petersburg, 2005, 161 р. (in Russ.)Kusic G. L. State Estimation and Fast Fault Detection For Ship Electrical Systems // IEEE Electric Ship Technologies Symp. 2007. P. 209—214.Kusic G.L. 2007 IEEE Electric Ship Technologies Symposium, 2007, рр. 209–214.Wu N. E., Thavamani S., Zhang Y., Blanke M. Sensor fault masking of a ship propulsion system // Control Engineering Practice. 2006. Vol. 14. P. 1337—1345.Wu N.E., Thavamani S., Zhang Y., Blanke M. Control Engineering Practice, 2006, vol. 14, рр. 1337–1345.Samy I., Postlethwaite I., Gu D. W. Survey and application of sensor fault detection and isolation schemes // Control Engineering Practice. 2011. Vol. 19. P. 658—674.Samy I., Postlethwaite I., Gu D.W. Control Engineering Practice, 2011, vol. 19, рр. 658–674.Perera L. P. Marine Engine Centered Localized Models for Sensor Fault Detection under Ship Performance Monitoring // IFAC-PapersOnLine. 2016. Vol. 49, N 28. P. 91—96.Perera L.P. IFAC-PapersOnLine, 2016, no. 28(49), pp. 91–96.Babaei M., Shi J., Abdelwahed S. A Survey on Fault Detection, Isolation, and Reconfiguration Methods in Electric Ship Power Systems // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 9430—9441.Babaei M., Shi J., Abdelwahed S. IEEE Access, 2018, vol. 6, рр. 9430–9441.Roumeliotis S. I., Sukhatme G., Bekey G. A. Sensor fault detection and identification in a mobile robot // Proc. IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. 1998. Vol. 3. P. 1383—1388.Roumeliotis S.I., Sukhatme G., Bekey G.A. Proceedings IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1998, vol. 3, рр. 1383–1388.Khalastchi E., Kalech M., Rokach L. A hybrid approach for fault detection in autonomous physical agents // Proc. of the 2014 Intern. Conf. on Autonomous Agents and Multi-Agent Systems. 2014. P. 941—948.Khalastchi E., Kalech M., Rokach L. Proceedings of the 2014 International Conference on Autonomous Agents and Multi-Agent Systems, 2014, рр. 941–948.Колесник Н. С., Маргун А. А. Алгоритм детектирования и локализации отказов двигателя постоянного тока // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 3. С. 492—500.Kolesnik N.S., Margun A.A. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, no. 3(22), pp. 492–500. (in Russ.)Лукомcкий Ю. А., Пeшехонов В. Г., Схорoходов Д. А. Навигaция и упрaвление движeнием судoв. CПб: Элмoр, 2002. 360 с.Lukomsky Yu.A., Peshekhonov V.G., Skhorokhodov D.A. Navigatsiya i upravleniye dvizheniyem sudov (Navigation and Vessel Traffic Control), St. Petersburg, 2002, 360 р. (in Russ.)Nоrrbin N. H. On the dеsign and anаlysis of the zig-zаg test on bаse of quasi linеar frequenсy rеsponse // SSPА Rеp. No. B104-3, 10th ITTС, Lоndon. 1963. Р. 355—374.Nоrrbin N.H. On the Dеsign and Anаlysis of the Zig-Zаg Test on Bаse of Quasi Linеar Frequenсy Rеsponse, SSPА Rеport No. B104-3, 10th ITTС, Lоndon, 1963, рр. 355–374.Tzeng C., Chen J. Fundamental properties of linear ship steering dynamic models // Journal of Marine Science and Technology. 1999. Vol. 7, N 2. P. 79—88.Tzeng C., Chen J. Journal of Marine Science and Technology, 1999, no. 2(7), pp. 79–88.Do K. D., Pan J. Control of Ships and Underwater Vehicles. London: Springer, 2009. 418 p.Do K.D., Pan J. Control of Ships and Underwater Vehicles, London, Springer, 2009, 418 p.Семенов-Тян-Шанский В. В., Благовещенский С. Н., Холодилин А. Н. Качка корабля. Л.: Судостроение, 1969.Semenov-Tyan-Shansky V.V., Blagoveshchensky S.N., Kholodilin A.N. Kachka korablya (The Rolling of the Ship), Leningrad, 1969. (in Russ.)Крылов А. Н. Избранные труды. Л.: Изд-во АН СССР, 1958. 804 с.Krylov A.N. Izbrannyye trudy (Selected Works), Leningrad, 1958, 804 р. (in Russ.)Abkowitz M. A. Lectures on ship hydrodynamics steering and manoeuvrability // Techn. Rep. Hy-5; Hydro and Aerodynamics Laboratory, Lyngby, Denmark. 1964.Abkowitz M.A. Lectures on Ship Hydrodynamics Steering and Manoeuvrability, Tech. Rep. Hy-5. Hydro and Aerodynamics Laboratory, Lyngby, Denmark, 1964.Юдин Ю. И., Степахнo А. Г., Гoлолобов А. Н. Испoльзование идeнтифицированных матeматических моделeй cудна для обeспечения безопасноcти судoвождения // Вeстн. Мурманскoго гос. тeхн. ун-та. 2009. Т. 12, № 1. С. 10—12.Yudin Yu.I., Stepakhno A.G., Gololobov A.N. Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2009, no. 1(12), pp. 10–12. (in Russ.)Нгуен Х. Т., Власов С. М., Скобелева А. В. Математическое моделирование и идентификация параметров модели надводного судна // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 3. С. 418—425. DOI: 10.17586/2226-1494-2021-21-3-418-425.Nguyen H.T., Vlasov S.M., Skobeleva A.V. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, no. 3(21), pp. 418–425, DOI: 10.17586/2226-1494-2021-21-3-418-425. (in Russ.)Ellis G. Observers in Control Systems: A Practical Guide. Elsevier Science, 2002. P. 259.Ellis G. Observers in Control Systems: A Practical Guide, Elsevier Science, 2002, 259 р.Chen J., Patton R. J. Robust model-based fault diagnosis for dynamic systems. Boston, MA: Kluwer Acad. Publ., 1999. 354 p.Chen J., Patton R.J. Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems, Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, USA, 1999, 354 p.

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