Реализация и экспериментальное исследование авторулевого автономного надводного мини-корабля "Нептун"
Разработка математической модели автономного надводного мини-корабля "Нептун", алгоритмов его управления. Особенности структуры автопилота надводного мини-корабля "Нептун", ее реализация на бортовом вычислителе. Анализ экспериментальных результатов.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.05.2017 |
| Размер файла | 367,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
8
Размещено на http://www.allbest.ru/
алгоритм автономный надводный корабль
Реализация и экспериментальное исследование авторулевого автономного надводного мини-корабля "Нептун"
Б.В. Гуренко
Введение
На основе разработанной ранее математической модели автономного надводного мини-корабля "Нептун" [1] и алгоритмов управления [2] в статье предлагается структура автопилота надводного мини-корабля "Нептун", реализация на бортовом вычислителе. Приводятся результаты экспериментов.
Математическая модель
Математическая модель надводного мини-корабля “Нептун”, в соответствии c соответствии с результатами, полученными в [1], имеет следующий вид:
(1)
(2)
где m - масса судна; Vx - продольная скорости судна; - гидро - и аэродинамические силы и моменты создаваемые ими; Jy - момент инерции относительно оси Y; ??y - угловая скорость относительно оси Y; - управляющая сила и момент, создаваемые двигателем и рулевой колонкой; - скорость изменение координат положения центра тяжести корабля в неподвижной системе координат; - скорость изменения угла ориентации в неподвижной системе координат.
На основе методики описанной в [3,4,5] для модели (1,2) в [2], был разработан следующий автопилот:
(3)
где ; Т1, Т2, Т3 - постоянные времени; -оценка возмущающих сил.,
Для оценки внешних возмущений в [2] был синтезирован следующий наблюдатель:
(4)
где L = - коэффициенты наблюдателя
Разработка структурной схемы системы управления
При разработке системы управления необходимо выделить ее основные блоки. Для объединения блоков в цепочку разрабатывается структурная схема.
В структурной схеме системы управления автоматизированным надводным кораблем, представленной на рис. Рис, миссия - это набор траекторий движения корабля и координат точек позиционирования. Автопилот формирует управляющие воздействия на основе координат точки позиционирования или траектории движения. Блок оценивания осуществляет оценивание внешних не измеряемых сил и моментов. Блок обработки навигационных данных комплексирует навигационные данные от БИНС и спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС.
Микроконтроллерный блок управления исполнительными механизмами (МКБУ ИМ) преобразует управляющие воздействия автопилота в сигналы управления исполнительными механизмами.
Исполнительные механизмы представляют собой два привода гребных винтов и сервопривод управления рулем поворота.
Рис. 1 - Структурная схема автопилота надводным мини-кораблём "Нептун"
Интегрированная навигационная система по приемнику GPS/Глонасс и датчикам инерциальной навигации позволяет определять положение корабля в глобальной системе координат, а так же углы ориентации судна, такие как крен, тангаж и рысканье. Доплеровский лаг определяет составляющие продольной и поперечной скорости движения судна относительно дна.
Программно-аппаратная реализация автопилота
Оборудование, которое использовалось для реализации структуры мини-корабля, показанной на рис. 1, приведено в таблице 1.
Таблица 1. Оборудование системы управления автономного мини-корабля
|
Оборудование |
Модель |
|
|
Бортовой компьютер |
Intel Atom N270 (1.6 GHz, 512 kB L2 cache, FSB 533 MHz) |
|
|
МКБУ ИМ |
AVR-CRUMB2560, ATmega2560 |
|
|
Доплеровский лаг |
RD instruments ExplorerDVL |
|
|
БИНС, GPS/ГЛОНАСС |
Companav 2 |
|
|
ГАНС УКБ |
Evo Logic S2C R 48/78 USBL Acoustic Modem |
Внешний вид автономного мини-корабля приведен на рис.2 и рис.3.
Рис. 2. - Внешний вид автономного мини-корабля
Рис. 3. - Допплеровский лаг скорости, установленный на днище мини-корабля
Алгоритмы автопилота и наблюдателя были реализованы на операционной сиcтеме реального времени QNX.
Рис. 4. - Схема организации модулей бортовой программы управления
При разработке архитектуры ПО большое внимание уделялось модульности системы и минимизации связей между модулями. Это позволило вести независимую разработку и отладку модулей, унифицировать обмен данными в системе, повысить ее предсказуемость и отказоустойчивость.
Схему организации бортовой программы управления можно представить в обобщенном виде, как показано на рис. 4.
Результаты экспериментального исследования системы управления автономным мини-кораблем
При экспериментальном исследовании разработанного авторулевого, мини-корабль должен был переместиться из точки (x = 5; z =0) в точку (x = - 4; z = - 10). Результаты эксперимента приведены на рисунках 5 - 9.
Рис. 5. - Изменение управляющей сил FT
Рис. 6. - Изменение угла направления силы тяги б
Рис. 7. - Изменение угла ориентации мини-корабля
Рис. 8. - Изменение скорости движения мини-корабля
Рис. 9. - Траектория движения мини-корабля из точки (0,5) в точку (-4,-10)
Во втором эксперименте, мини-корабль должен был выйти на заданный курс (ц =1.3 рад) при заданной скорости движения (V = 1.6 м/с).
График изменения курса и скорости мини-корабля при его выход на заданную скорость с заданной ориентацией показаны на рисунках 10 и 11.
Рис. 11. - Изменение скорости движения мини-корабля
Рис. 10. - Изменение курса мини-корабля
Заключение
В работе разработан авторулевой автономного необитаемого надводного мини-корабля "Нептун". Полученные результаты экспериментального исследования подтверждают работоспособность разработанной системы, а так же эффективность и корректность предложенных алгоритмов [2].
Работа выполнена при поддержке внутреннего гранта ЮФУ 213.01-24/2013-109 и гранта РФФИ №13-08-00 249-а.
Литература
1. Пшихопов В.Х., Б.В. Гуренко Разработка и исследование математической модели автономного надводного мини-корабля "Нептун" [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2013, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/ (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
2. Пшихопов В.Х., Б.В. Гуренко Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля "Нептун" [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2013, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/ (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
3. Пшихопов, В.Х. Позиционно-траекторное управление подвижными объектами [Текст]: Монография/В.Х. Пшихопов - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 183 с.
4. Пшихопов В.Х. , Медведев М.Ю. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов с оцениванием возмущений [Текст] // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2006. - № 1. - С.103-109.
5. Пшихопов В.Х. Аттракторы и репеллеры в конструировании систем управления подвижными объектами [Текст] // Известия ТРТУ. - 2006. - № 3 (58). - С.49-57.
6. Пшихопов В.Х., Сиротенко М.Ю., Гуренко Б.В. Структурная организация систем автоматического управления подводными аппаратами для априори неформализованных сред [Текст] // Информационно-измерительные и управляющие системы. Интеллектуальные и адаптивные роботы. - М.: Изд-во Радиотехника, 2006. - № 1-3. - Т.4. - C.73-79.
7. Пшихопов В.Х. Суконкин С.Я., Нагучев Д.Ш., Стракович В.В., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В., Костюков В.А., Волощенко Ю.П. Автономный подводный аппарат "СКАТ" для решения задач поиска и обнаружения заиленных объектов [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № (104). - С.153-163.
8. Medvedev M. Y., Pshikhopov V. Kh., Robust control of nonlinear dynamic systems [Text] // Proc. of 2010 IEEE Latin-American Conference on Communications. September 14 - 17, 2010, Bogota, Colombia. ISBN: 978-1-4244-7172-0.
9. Pshikhopov V. Kh., Medvedev M. Yu., Gaiduk A. R., Gurenko B. V. Control System Design for Autonomous Underwater Vehicle [Text]
10. Pshikhopov V., Medvedev M., Kostjukov V., Fedorenko R., Gurenko B., Krukhmalev V. Airship autopilot design [Text] // Proceedings of SAE AeroTech Congress&Exibition. October 18-21, 2011.
11. Pshikhopov V. Kh., Medvedev M. Yu., Gurenko B. V. Homing Autopilot Design for Autonomous Underwater Vehicle [Text]
12. Федоренко Р.В. Алгоритмы автопилота посадки роботизированного дирижабля [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2011, №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2011/371 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Разработка модели движения трёх видов судов: надводного корабля "Красный Кавказ", катера "Тритон" и корабля на подводных крыльях. Написание программной модели в среде Matlab и исследование с ее помощью динамических свойств моделируемых объектов.
курсовая работа [590,5 K], добавлен 08.03.2012Многообразие мини-игр и возможности языка Visual basic 6.0 для их реализации. Понятие мини-игр и их классификация. Элементы управления мини-игры "Реверси". Разработка прикладной программы. Создание игрового интерфейса. Написание программного кода.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 03.06.2014Теоретическое обоснование и разработка программы создания мини игры "Магический квадрат". Анализ содержания понятия "магический квадрат". Методы построения магических квадратов. Разработка программ создания мини-игр на языке программирования Delphi.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 18.01.2011"1С: Предприятие" - система программ для автоматизации различных областей экономической деятельности предприятия. Технологическая платформа и конфигурации системы. Создание мини-системы "Шиномонтаж" с использование программного продукта "1С: Предприятие".
курсовая работа [1,9 M], добавлен 19.01.2016Разработка и реализация моделирующего алгоритма процесса обслуживания 150 кораблей путем написания программы в среде GPSS/PC. Временная диаграмма процедуры погрузки-разгрузки кораблей. Структурная схема функционирования причалов в символике Q-схем.
курсовая работа [711,4 K], добавлен 22.06.2011Реализация комплекса программ поиска подстроки в тексте алгоритмом прямого поиска и алгоритмом Кнута-Морриса-Пратта. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных оценок эффективности алгоритмов. Разработка структуры программы, ее листинг.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 22.01.2015Описание системы автономного водоснабжения административного здания морского терминала ЗАО "Каспийский Трубопроводный Консорциум". Разработка и программная реализация алгоритма управления системой. Анализ и нормирование вредных производственных факторов.
дипломная работа [2,9 M], добавлен 14.11.2010Требования, предъявляемые к компьютеризированному бухгалтерскому учету в системе "1С: Предприятие". Проектирование и реализация модулей автоматизированной системы бухгалтерского учета. Ведение справочников, первичных документов и аналитических отчетов.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.10.2015Реализация подсистемы управления файлами, использующей в качестве способа физической организации файла связанный список блоков. Разработка общей структуры модуля. Описание реализуемых в программе алгоритмов. Ввод в действие программного комплекса.
курсовая работа [666,0 K], добавлен 10.07.2015Разработка концептуальной модели базы данных. Реализация алгоритмов и разработка управляющей программы. Разработка структуры системы управления данными. Методика проведения и результаты тестирования. Функционирование разработанного программного модуля.
курсовая работа [550,5 K], добавлен 08.06.2023
