CC BY
0TECHNICAL SCIENCES
СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛ1ННЯ АВТОНОМНИМ П1ДВОДНИМ АПАРАТОМ
НА БАЗ1 ПЛАТФОРМИ ARDUINO
Дантенко Н.О.
Студентка 4 курсу факультету тформатики та обчислювально'1 mexHiKU Нацюнального техтч-ного утверситету Украти «Кшвський полimexнiчний тститут iMeHi 1горя Сжорського»
Смоненко А.В.
Старший викладач факультету тформатики та обчислювально'1 технки Нацюнального техтч-ного утверситету Украти «Кшвський полimexнiчний тститут iмeнi 1горя Скорського»
SYSTEM OF ADAPTIVE ADMINISTRATION BY AUTONOMOUS DEVICE ON THE ARDUINO
PLATFORM BASE
Danilenko N.
student of the 4th year Faculty of Informatics and Computer Technology of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute "
Simonenko A.
Senior Lecturer Faculty of Informatics and Computer Technology of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
Анотащя
У статп наведено cnoci6 руху для малогабаритних неприв'язних автономних тдводних апарапв, що реалiзуеться за рахунок здшснення складних коливань. Показано споаб поеднання електричних елеменпв для створення рухомого апарату на основi платформи Arduino Uno. Зроблено аналiз програмно! реатзацд системи, наведено результати тестування.
Abstract
The article presents a method of motion for small, unattached autonomous underwater device, which is realized due to the implementation of complex oscillations. Deals method for combining electrical elements to create a moving device based on the Arduino Uno platform. The analysis of program implementation of the system is made, results of testing are given.
Ключовi слова: коливання, автономний шдводний апарат, адаптивне управлшня, Arduino, ефект Магнуса.
Keywords: oscillation, autonomous underwater device, adaptive control, Arduino, Magnus effect.
1. Вступ
Моделювання малогабаритних неприв'язних автономних тдводних апарапв (АПА)[1] досить складне i грошозатратне завдання, адже необхвдно враховувати безлiч факторiв впливу водного сере-довища. Для пришвидшення моделювання та ре-алiзацii щей, особливо для конструювання ме-ханiчних моделей з використанням вiдповiдного програмного забезпечення, 2005 року в Ггалп була розроблена апаратна обчислювальна платформа Arduino. II низька вартiсть i крос-платформенiсть приваблюе розробнишв. Так, за допомогою АМшпо можна створювати автономнi апарати.
2. Аналiз проблеми i постановка задачi
Зазвичай при моделюваннi неприв'язних АПА використовуються гвинтовi рушii[2], що значною мiрою впливае на швидкiсть руху плавания апарата. ККД гвинтового рушiя рiдко перевищуе позначки 0,5-0,7, при цьому верхня межа вважаеться дуже ви-сокою i досягаеться лише на малооборотних гвин-тових рушiях[2,3]. Так, при швидкому русi (неживого) предмета через воду завихрення утворюються лише позаду предмета, як i у випадку з використанням гвинтових рушив. За законом Бернулл^ тиск у завихреннях падае, що створюе гальмiвний ефект.
Постае проблема значного зниження опору води. Також водоросп, сiтки та iншi предмети намоту-ються на гвинтовий рушiй, гальмуючи рух апарата та призводячи до його несправносп.
Метою даноi роботи е дослщження способу руху шдводного об'екта (риби) i вiдтворення да-ного способу за рахунок створення системи адаптивного управлшня об'ектом на базi платформи АМшпо (малогабаритний неприв'язний АПА).
3. Споаб руху щдводного об'екта за рахунок складних коливань
Коли риба перемiщуеться у вод^ и тiло вико-нуе складнi коливання[4], дякуючи чому риба може розвивати дуже високу швидшсть, яка на сьогодшшнш день лише частково доступна су-часним надводним та щдводним апаратам. Риби здебiльшого використовують два типи плавання: хвилеподiбно звиваються вам тшом або рухають в основному лише хвостом[5,6]. При другому спо-собi риба рухаеться вперед завдяки тому, що хвiст, який швидко розпрямлюеться, «вщштовхуе» воду назад. Проте навггь у найпростiшому випадку тулуб i хвiст вигинаються у протифаз^ утворюючи сину-соподiбну криву. При водному потощ вздовж риби утворюються вщразу двi пiдйомнi сили.
Рис. 1 Рух риби за допомогою хвоста; тулуб i xeicm e^nymi у протифазi (зазначено напрямки сил)
Одна направлена вгору i вперед, а шша - вниз i вперед. В результат^ сили направлеш вгору та вниз практично врiвноважують одна одну, а сили, направлеш вперед, штовхають тшо в напрямку
руху.
На рис.1 показано напрямок сил F1 i F2, а та-кож результуючо! сили F3, шд дieю яких риба пе-ремiщуeться у напрямку свого руху. Звичайно, коли риба приймае «нейтральну» форму, то сили F1, F2 i F3 дорiвнюють нулю. Але якщо розглядати ди-намiку сил за увесь цикл, коли риба змшюе форму ввд варiанту 1 (рис.1, злiва) до варiанту 2 (рис.1, справа) через «нейтральну» позицiю, то сили F1, F2 i F3 будуть плавно змiнюватись як у напрямку, так i за модулем, але напрямок сили F3 буде приблизно спрямований туди, куди буде рухатись риба. I лише при рiзких поворотах риби даний мехашзм може давати збо!. Таким чином, це не риба пливе, вiдштовхуючи воду назад, а вода за рахунок пере-падiв тиску з протилежних бошв тiла риби пе-ремiщуе рибу практично без затрат енергп збоку риби.
Ввдомо, що в основi тдйомно! сили закладе-ний ефект Магнуса ввд взаемодп приеднаного до тша вихра з набiгаючим водним потоком [7]. Саме ефект Магнуса е тим мехашзмом, що дозволяе ри-бам перемiщуватися з високою швидшстю i малими затратами енергп.
При застосуванш даного механiзму пе-ремiщення [8] для малогабаритного АПА потрiбно динамiчно змiнити «геометрiю» апарату. Щоб це зробити, необхвдно, щоб апарат був обладнаний ме-хашчним «хвостом», за допомогою якого з'явиться можливють протистояти опору води, i за рахунок цього розвинути значну швидк1сть.
Для створення «хвоста» можна використати властивiсть риби ввдтворювати складш коливання [8, 9] з бшьшою чи меншою амплiтудою, однаково вигинаючи хвiст, але з рiзною силою.
1снують T04HÍ двигуни для управлшня параметрами руху - сервоприводи. Саме !х можна використати в якосп з'еднувальних повертальних ме-ханiзмiв для частин механiчного «хвоста». До того ж вони легко програмуються у середовищi Arduino IDE (середовище мае спецiально створенi бiблiотеки шд рiзнi типи сервоприводiв).
Переваги використання двигунно-рушiйного комплексу, побудованого на складних коливаннях:
а) збiльшення швидкосл плавання АПА;
б) «хвостовий» рушш безпечний для людини та навколишнього середовища (водорослi не заплу-туються навколо «хвоста»);
в) ККД становить 0,6-0,85.
4. Платформа Arduino як зааб реалiзацü автономного апарату
Автономний апарат досить легко реалiзувати за допомогою платформи Arduino. Arduino - це апа-ратна обчислювальна платформа, яка легко програ-муеться, заснована на простому Open Hardware проект^ що базуеться на вмонтованих мшроконтроле-рах в едину друковану плату з вбудованою пiдтримкою вводу/виводу та стандартизованою мо-вою програмування. Мова програмування Arduino грунтуеться на середовищi пвдключення та в основному на мовi C / C ++. Arduino е хорошою альтернативою у випадку недоступностi бiльш «просу-нутих» мiкроконтролерiв, завдяки ii загальнодо-ступностi, ввдносно низьк1й цiнi, гнучкосп та крос-платформеностi. Типова плата Arduino мютить мiкроконтролер (МК), цифровi та аналоговi Мни вводу/виводу та штерфейс UART або USB для тдключення до комп'ютера.
Однiею з модифшацш плати Arduino е клон Arduino Uno Rev-3. За допомогою ще! платформи можна змоделювати автономний апарат, запрогра-мувати та протестувати його.
Arduino Uno Rev-3 - це пристрiй на основi МК ATmega328. До його складу входять усi необходнi
для зручно! роботи з МК компоненти: 14 цифрових входiв/виходiв (з них 6 можуть використовуватися в якосп ШIМ-виходiв), 6 аналогових входiв, квар-цевий резонатор на 16 МГц, роз'ем USB, роз'ем живлення, роз'ем для внутрiшньосхемного програ-мування (ICSP) i кнопка Reset.
Плата мае flesh-пам'ять 32 КБ (ATmega328), з яких 0.5 КБ використовуються завантажувачем.
Параметри плати Arduino Uno Rev-3 зовсiм не вiдрiзняються ввд параметрiв орипнально! плати Arduino Uno, проте цiна в шлька разiв нижча.
Використання сучасно! елементно! бази дозво-ляе не лише вдосконалити старi методи проекту-вання та конструювання, а й створити hobí. Також
застосовуючи елементну базу з покращеними тех-нiчними та експлуатацшними характеристиками, зокрема платформу Arduino Uno, мш-сервопри-води SG90, шфрачервош датчики руху HC-SR501 тощо, можна суттево скоротити витрати на ство-рення продукту.
Варто зазначити, що використання такоТ елементноТ бази призводить до значного змен-шення |)(hmÍ|)Íb та зниження маси продукту, що при його розробцi вiдiграe значну роль.
Використання дано! елементно! бази забезпе-чуе автоматичну обробку шформацд.
Рис. 2 Схема поеднання елементiв: 1 - плата Arduino Uno, 2 - безпаечна макетна плата, 3 - cepeonpueid SG-90, 4 - датчик приближення IC LM393, 5 - датчик температури DHT11, 6 - датчик руху HC-SR501.
При моделюванш продукту добре використо-вувати принцип подвоення [10] таких елеменпв, як шфрачервош датчики приближення i руху, що доз-воляе шдвищити надшшсть роботи модель Використання ретельно пщбрано! елементно! бази дае можливють значно зменшити масу i габарити готового продукту, що забезпечуе надiйнiсть системи.
На рис. 2 наведено схему з'еднання елеменпв модел1. Для з'еднання було використано перемички типу мама-мама, папа-мама, безпаечну макетну плату.
5. Анал1з програмно! реалiзацi! системи Адаптивна система - це система, що може сама пристосовуватись до змш навколишнього се-редовища, автоматично змiнюючи свою структуру або алгоритм функцюнування з метою досягнення оптимального стану. Задля створення тако! системи необхiдно повшстю продумати логiку !! автономного функцюнування, передбачаючи наперед ви-нятковi ситуацi!.
Для програмування Arduino Uno можна вико-ристовувати Arduino IDE, Programino, B4R, CodeBlocks for Arduino та iншi середовища.
Середовище Arduino IDE мютить увесь необ-хвдний мiнiмум для розробки програм: написання коду, перевiрка коду, компiляцiя, завантаження скетча в Arduino, монiтор послщовного порту тощо.
Programino - небезкоштовне середовище розробки. Однiею з головних вимов цього середовища е встановлення Arduino IDE. Дане середовище мае дуже корисний шструмент Analog Plotter, вш доз-воляе вiзуалiзувати те, що вiдбуваеться в СОМ-порт вiд Arduino. Analog Plotter найчаспше викори-стовують для вщображення показник1в аналогових датчиков: температури, вологосп, освiтленостi тощо.
Середовище розробки B4R ушкальне тим, що використовуе мову Basic, а не С.
1снують i iншi середовища розробки для Arduino, наприклад Codeblocks for Arduino. Але простота i легшсть у використаннi середовища Arduino IDE заслуговуе на особливу увагу. Середо-
вище постшно оновлюе бiблiотеки, за потреби за-вантажуе приклади використання пе! чи шшо! бiблiотеки, а також дае можливють створювати бiблiотеки, драйвери для сво!х пристро1в, аматорсь-ких плат тощо.
Програма для дано! роботи була написана в Ar-duino IDE.
Щоб вщтворити рухи хвоста справжньо! риби, необхщно забезпечити постiйний рух механiчного хвоста [11]. Щоб досягнути такого ефекту, модель повинна складатися з 4-х частин: «голова» i 3 «хво-стовi» частини (рис. 3), що поеднанi мiж собою сервоприводами. Дана система оснащена датчиками приближенна та руху, що дае роботизованш «риби> змогу обпливати перешкоди та фжсувати рух
пiдводних об'ектiв, що випромiнюють тепло. Також модель мютить датчик температури i визначае температуру води.
Таким чином на програмному рiвнi потрiбно забезпечити безперервну роботу сервоприводiв. Для цього можна використати бiблiотеку Servo.h, яка вбудована в Arduino IDE. Для кожного з трьох сервоприводiв обов'язково необхвдно видiлити окремий ШIМ-вихiд на платi Arduino Uno Rev-3. У програмi слщ зазначити, до якого порту «прив'яза-ний» сервопривiд. Це можна зробити за допомогою функци Servo. attach(number_of_pin).
Iнфрачервонi датчики приближення та руху (в даному випадку IC LM393 та HC-SR501) потрiбно налаштувати апаратно та програмно.
Рис. 3. Вигляд системи: а) поворот «хвоста», б) без повороту «хвоста»
Датчик руху HC-SR501 може працювати у двох режимах: H (сигнал на виходi зникне лише тсля зашнчення терм^ затримки з моменту останньо! фшсаци руху в зонi пошуку) та L (датчик, зафжсувавши рух, подае на вихвд сигнал високого рiвня). Крiм того на данiй плат встановлено два змiнних опори, що регулюють зону спрацювання (Sensitivity Adjust) та затримку вимкнення (Time Delay Adjust). Програмно датчик легко налашто-вуеться, не вимагае жодних додаткових бiблiотек. У середовищi Arduino IDE потрiбно вказати цифро-вий (не Ш1М) вх1д та для коректно! роботи датчика визначити час кал1брування.
Датчик приближення IC LM393 теж налашто-вуеться програмно i апаратно. На апаратному рiвнi можна ввдрегулювати ввдстань приближення вiд 2 до 30 см. Програмуючи датчик, можна визначити ефективну вiдстань спрацьовування. Для цього за допомогою функци Serial.begin() налагоджують сеанс зв'язку з комп'ютером.
Датчик температури DHT11 вимагае тдклю-чення додатково! бiблiотеки DHT.h. Даний датчик працюе лише при шдключенш до цифрового (не Ш1М) виходу. Пiсля iнiцiалiзацi! датчика можна використати двi функци для зчитування температури та вологостi: dht.readHumidity(),
dht.readTemperature().
6. Результати тестування Шд час тестування системи було отримано за-довiльний результат. «Риба-робот» з устхом вiдтворювала рухи справжньо! риби, обпливала перешкоди, реагувала на об'екти, що випромшюють
тепло, ввдповвдно до алгоритму заданого в программ
7. Висновки
Було проведено дослщження способу руху тдводного об'екта (риби), а також вщтворено даний споаб за рахунок створення системи адаптивного управлшня об'ектом на баз1 платформи Arduino Uno. Даний споаб руху щдводних об'екпв можна використовувати для вщтворення руху тдводних апаралв, а також для забезпечення пов-но! або частково! автономносп тдводних апарапв. Створення таких апаралв на основ1 платформи Arduino досить просте, як показуе спроба реал1зац1!. Це значною м1рою розширюе д1апазон !х викори-стання.
Список лiтератури
1. Steven W. Underwater robotics: science, design & fabrication / W. Steven, B. Harry, J. Vickie. - Hong Kong: MATE Center, 2010. - 758 с.
2. Движители кораблей и судов [Електронний ресурс]. - 2010. - Режим доступу до ресурсу: http://korabley.net/news/dvizhiteli_korablej_i_sudov/ 2010-04-06-527.
3. Боевые роботы: на воде и под водой [Елек-тронний ресурс]. - 2016. - Режим доступу до ресурсу : https ://www. geopolitica. ru/article/boevye-roboty-na-vode-i-pod-vodoy.
4. Симаков Ю. Г. Живые приборы / Ю. Г. Симаков. - Москва: Знание, 1986. - 176 с.
5. Движения и перемещения у рыб [Електрон-ний ресурс] - Режим доступу до ресурсу: http ://www. zoofirma.ru/knigi/zoologij a-
pozvonochnyh/3403-dvizhenija-i-peremeschenija-u-ryb.html.
6. Приспособление рыб к абиотическим факторам среды [Електронний ресурс] - Режим доступу до ресурсу: http://portaleco.ru/ekologija-ryb/sposoby-peredvizhenij a-ryb.html.
7. Петров А. В. Энергетические методы увеличения подъемной силы крыла / Альберт Васильевич Петров. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 404 с.
8. Подводные аппараты с движителем колебательного типа [Електронний ресурс] // Vortex Oscillation Technology Ltd. - 2018. - Режим доступу до ресурсу: http://www.vortexosc.com/modules.php?name=Conte nt&pa=showpage&pid=74.
9. Власов В.Н. Механизм плавания рыб и дельфинов, а также полета птиц как вариант движения с отталкиванием от среды. [Електронний ресурс] / Власов В.Н.. - 2012. - Режим доступу до ресурсу: http://vitanar.narod.ru/Delphin/Delphin.htm.
10. Мазейкин Е.М. Конструирование и моделирование технических устройств [Електронний ресурс] / Мазейкин Е.М., Шмелёв В.Е. - Режим доступу до ресурсу: www.tula.net/tgpu/resources/construct/index.html.
11. Сахновский Б.М. Модели судов новых типов [Електронний ресурс] / Сахновский Б.М. // Судостроение. - 1987. - Режим доступу до ресурсу: http ://www. shipmodeling. ru/books/NewType Ships/ne wtypeships.pdf.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ АЭС ЗА СЧЕТ ОРГАНИЗАЦИИ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ОБМЕНА ВОДЫ ПУТЕМ ПРОДУВКИ-ПОДПИТКИ И БИОЛОГО-ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Кравченко В.П.
Доктор технических наук, заведующий кафедры, Одесский национальный политехнический университет, г. Одесса, Украина
Мороз В.А.
Консультант ГП «УКРЭКСПРОЦЕНТР» «ООЗ», г. Одесса, Украина
PROVIDING OF TECHNOGENIC SAFETY OF RESERVOIR-COOLER OF NPP FOR ACCOUNT OF ORGANIZATION OF OPTIMUM MODE OF EXCHANGE OF WATER BY BLOWING OUT - SIGNUP
AND BIOLOGOTYPE-CHEMICAL MONITORING
Kravchenko V.P.
Doctor of technical sciences, head of the department, Odessa national polytechnic university, Odessa,
Ukraine Moroz V.A.
Consultant of the SE "UKREKSPROCENTER" "OEP", Odessa, Ukraine
Аннотация
Статья посвящена совершенствованию методов мониторинга качества воды водоема-охладителя и брызгальных бассейнов ответственных потребителей для регулирования качества воды с целью увеличения надежности и продления ресурса основного технологического оборудования энергоблоков АЭС с соблюдением требований природоохранного законодательства. Приведено математическое моделирование процессов в техно-экосистеме АЭС, выполнена верификация и валидация результатов прогноза с экспериментальными данными качества воды водоема-охладителя. Приведены рекомендации по разработке унифицированных программ биолого-химического мониторинга АЭС.
Abstract
The article is devoted to improving the methods of water quality monitoring of the reservoir-cooler and spray basins of responsible consumers for the regulation of water quality in order to increase the reliability and extend the life of the main technological equipment of power units of nuclear power plants in compliance with the requirements of environmental legislation. Mathematical modeling of processes in the NPP techno-ecosystem is presenting, verification and validation of the forecast results are performing with experimental data of water quality of the reservoir-cooler. Recommendations on the development of unified biological and chemical monitoring programs of NPP.
Ключевые слова: атомная электростанция, техно-экосистема, водоем-охладитель, математическое моделирование, биолого-химический мониторинг
Keywords: nuclear power plant, techno-ecosystem, reservoir-cooler, mathematical modeling, biological and chemical monitoring
Введение
Современная атомная электростанция (АЭС), помимо основного, имеет значительное количество вспомогательного оборудования, необходимого как для его нормальной эксплуатации, так и для
обеспечения техногенной безопасности. Под последней понимают состояние защищенности населения, производственного персонала, объектов экономики и окружающей среды от опасных техногенных происшествий [1].
