CC BY
39
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 с соответствии с результатами, полученными в [1], имеет следующий вид:
СХ„ ^ С СОБф БШф
т-
о ¥ у.
- БШф СОБф 0
о
о
1
V,
КЮУ У
(1)
йг и у йг
= ^ + ЯА + ЯГ + ¥в
(2)
= миу + мА + мг + мв
где т - масса судна; V, - продольная скорости судна; ЯАХ, ЯГХ,мА,мГ -гидро- и аэродинамические силы и моменты создаваемые ими; ^ - момент инерции относительно оси У; у - угловая скорость относительно оси У; ри, м»у - управляющая сила и момент, создаваемые двигателем и рулевой
колонкой; ,, - скорость изменение координат положения центра тяжести корабля в неподвижной системе координат; ф - 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:
Р = -М¥ -Р,-Р
и и а в
где ¥и =
-ТТ1* „
-(Т1Г2)-1[(Т1 + Т2)Ч ^ + ¥ ^
;Т], Т2, Т3 - постоянные времени; Рв'
оценка возмущающих сил.,
¥ = Р-?з = 0
¥ = К - К = 0
ск х з
Для оценки внешних возмущений в [2] был синтезирован следующий наблюдатель:
г = - Ьг - ЬМХ - Ь( Р + ¥й )
Р = г + ЬМХ
(4)
где Ь = Ь =
а 0 ^
ч0 12,
-коэффиценты 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.. , 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.
Внешние возмущения
Рис. 1 - Структурная схема автопилота надводным мини-кораблём «Нептун» Интегрированная навигационная система по приемнику ОРБ/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. 3. -Допплеровский лаг Рис. 2. -Вешний вид автономного скорости, установленный на днище мини-корабля мини-корабля
Алгоритмы автопилота и наблюдателя были реализованы на операционной системе реального времени РКХ .
Поток передачи по радиоканалу
Поток МКБУ
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 (х = 5;, =0) в точку (х = -4;, = -10). Результаты эксперимента приведены на рисунках 5 - 9.
1
V. тк
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1,0
Рис. 5. - Изменение управляющей сил ¥т
0.15 0.1 0.05 0
-0.05 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 -0.3 -0.35
0 5 10 15 20 25
1,0
Рис. 6.- Изменение угла направления силы тяги а
0 5 10 15
20 1,0
25 30 35 40
Рис. 7. - Изменение угла ориентации мини-корабля
> 0.6 0.4 0.2 0
20 1,0
25 30 35 40
Рис. 8. - Изменение скорости движения мини-корабля
60
50
40
30
20
10
0
3.4
1.4
3.2
1.2
3
0.8
2.8
2.6
2.4
2.2
2
0.2
0
5
10 15
Start' Point
у
Р1г Рс lish )int\
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 (ф =1.3 рад) при заданной скорости движения (V = 1.6м/с). График изменения курса и скорости мини-корабля при его выход на заданную скорость с заданной ориентацией показаны на рисунках 10 и11.
-8
-6
-4
-2
2
4
6
8
10
t г
...vkl.............
0 5 10 15 20 25
Рис. 11.-Изменение скорости движения мини-корабля
0 5 10 15 20 25
t,C
Рис. 10. - Изменение курса мини-корабля
В работе разработан надводного мини-корабля
Заключение
авторулевой автономного необитаемого «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 213.0124/2013-109 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. - С.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: 978-14244-7172-0.
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.
