CC BY
21
УДК 62-519
Севостьянов Р.А., Шаяхметова Л.В.
Санкт-Петербургскии государственный университет, г. Санкт-Петербург, Россия
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ МОДЕЛИ
СУДНА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
АННОТАЦИЯ
В статье представлена удаленная система, облегчающая процесс проведения экспериментов с движением модели судна на воздушной подушке. Приводится описание модели и используемых компонентов. Обсуждается структура, интерфейс и функционал системы автоматизации работы с моделью. В качестве примера применения системы рассматривается задача стабилизации движения по курсу. Приводятся результаты экспериментов
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Робототехника; удаленное управление; автоматическое управление; автоматизация; обратная связь.
Sevostyanov R.A., Shayakhmetova L.V.
Saint Petersburg University, Saint-Petersburg, Russia
AUTOMATION SYSTEM FOR THE RESEARCH PROCESS OF THE AIR CUSHION
VEHICLE MODEL DYNAMICS
ABSTRACT
The article presents the remote system facilitating the process of the experimentation with the motion of the air cushion vehicle model. The description of the model and the used components is given. Structure, interface and functionality of the automation system are discussed. The task of the course angle stabilization is considered as an example of the system usage. Results of the experiments are given.
KEYWORDS
Robotics; remote control; automatic control; automation; feedback. Введение
Процесс проведения научных исследовании при работе с реальными объектами всегда связан с рядом серьезных трудностеи. В отличие от чисто теоретических областеи или прикладных задач, связанных с компьютерным моделированием, в реальном мире всегда присутствуют неидеальные внешние условия, неточности самои физическои модели, с которои производится эксперимент, запаздывания, шумы датчиков и погрешности отработки управляющих элементов. С другои стороны, в рамках каждого эксперимента немало времени тратится на запуск оборудования, сбор и анализ численных данных с датчиков, подбор различных параметров.
С недавнего времени на факультете прикладнои математики - процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета проводятся исследования по изучению динамики модели судна на воздушнои подушке (СВП), то есть судна с динамическим принципом поддержания за счет области повышенного давления воздуха под корпусом судна и поверхностью [1]. Эта особенность позволяет таким судам двигаться над различными типами поверхностей будь то вода, земля, болота или льды. Модель СВП используется так же для обучения студентов программированию, математическому моделированию и теории управления. В линеином приближении уравнения бокового движения СВП очень похожи на уравнения обычных водоизмещающих судов [2].
Для упрощения работы студентов с моделью, а также для удобства проведения различных исследовании и экспериментов была реализована особая система автоматизации, объединяющая в себе инструмент для удаленного управления в различных режимах и средство для сбора и анализа данных с датчиков. Далее в статье приводится описание используемои модели СВП, а также самои системы автоматизации.
Описание модели
Общий вид используемой модели судна на воздушной подушке представлен на рис.1. Основной материал палубы - экструдированныи пенополистирол, а гибкии ресивер, одновременно являющиися и юбкои воздушнои подушки, сшит из искусственнои кожи. Модель оснащена двумя нагнетающими импеллерами с бесколлекторными электрическими моторами и регуляторами оборотов, запитанными от 11.1В аккумулятора. Образование воздушнои подушки происходит следующим образом (рис.2). Воздух из нагнетающих импеллеров (на рисунке представлены как единьш вентилятор) поступает в жесткии ресивер 1, равномерно распределяется и переходит в гибкии ресивер 2. Отсюда воздух выходит хорошо сформированными струями и попадает непосредственно под днище судна, образуя область повышенного давления 3, которая и является воздушной подушкой.
Рис.1. Модель судна на воздушной подушке
Входной поток
Рис.2. Схема образования воздушной подушки
Для создания управляющей тяги используется импеллер с бесколлекторным электрическим мотором и регулятором оборотов, подключенным к отдельному 11.1В аккумулятору. Для обеспечения управления поворотом судна тяговый импеллер установлен на сервоприводе и может вращаться.
В качестве системы управления используется контроллер ТРИК [3], предназначенным специально для упрощения создания различных кибер-физических систем. Контроллер основан на ARM9-процессоре с тактовои частотои 375МГц и 256Мб ОЗУ В качестве операционнои системы используется Linux. Кроме этого, ТРИК оснащен отдельным процессором для цифровои обработки сигналов, а также периферииным процессором для работы с внешними устроиствами. На контроллере имеется 19 сигнальных портов общего назначения, 4 вывода на силовые моторы 612 В, а также 3-х осевые гироскоп и акселерометр. Возможна коммуникация по беспроводнои сети стандарта WiFi или Bluetooth. Программирование контроллера возможно при помощи различных
языков: C++, C#, F#, Java, JavaScript, QtScript, а также специального визуального языка программирования.
Несмотря на то, что контроллер ТРИК имеет встроенные гироскоп и акселерометр, на борту судна установлен внешний модуль MPU-9250 [4], совмещающий в себе 3-х осевые гироскоп, акселерометр и магнитометр. Основным преимуществом этого модуля является наличие специального процессора, обрабатывающего показания с внутренних датчиков и выполняющего калибровку, а также фильтрацию данных без нагрузки на внешнии контроллер. К тому же стабильное вычисление угла рысканья без использования магнитометра является чрезвычаино труднои задачеи.
Кроме этого, на модели судна установлена веб-камера для обеспечения трансляции видеопотока в ручном режиме управления.
Автоматизация проведения экспериментов
Для автоматизации процесса исследования динамики модели СВП реализована удаленная программная система управления в виде клиент-сервернои архитектуры, в которои контроллер ТРИК выполняет управляющие команды от клиентского программного обеспечения удаленного компьютера и передает обратно данные, считанные с бортовых датчиков, а также транслирует видео-поток с веб-камеры. Коммуникация происходит по беспроводнои связи (WiFi-сеть) через протокол TCP.
Программное обеспечение контроллера ТРИК представляет собои консольное приложение, реализованное на языке C++ с использованием инструментария Qt [5], а также библиотеки для работы с портами ввода-вывода контроллера.
HoverKTS
_ п
0 Phi
□ Wy
□ Ay
□ Psi □ Theta □ Rudder
□ Wz □ Wx □ Thrust
□ Az □ Ax □ Level
Waiting for connection
Рис.3. Программное обеспечение удаленного компьютера, ручной режим
Программное обеспечение удаленного компьютера представляет собой оконное приложение, реализованное на языке С++ с использованием инструментария Qt. В системе можно выделить две основных части (рис.3): область задания параметров 1 и область вывода графиков/трансляции видео 2. Для вывода графиков используется специализированная библиотека QCustomPlot [6], а для трансляции видео - библиотека для решения задач компьютерного зрения Ореп^ [7]. Область задания параметров обеспечивает работу в трех режимах: ручное управление, задание постоянных значении и автоматическое управление с обратнои связью. В режиме ручного управления движение модели регулируется перемещением ползунков, ответственных за тягу и угол поворота тягового импеллера. Положение ползунков также можно менять курсорными клавишами клавиатуры.
В режиме управления с заданием постоянных значении можно ввести точные желаемые величины для тяги и угла поворота тягового импеллера и анализировать графики выбранных
переменных состояния системы в установившемся режиме (рис. 4].__
НоуегКТБ - п В
Manual Const рш
Î
Save Data Load Data
Plot Stream
□ Phi □ Psi □ Theta Q Rudder 0 Wy □ Wz □ Wx □ Thrust
□ Ay □ Az □ Ax □ Level
In const motion
Рис.4. Программное обеспечение удаленного компьютера, режим с заданием постоянных значений
HoverKTS
Manual Const PID Level 0.00 Z
1.00 С 0.00 С 0.00 :
o.oo ; o.oo ; o.oo ; Theta
0.00 ; 0.00 i 0.00 С
Wy
0.00 i 0.00 ; 0.00 z
Wz
0.00 ; 0.00 i 0.00 t
Wx
0.00 ; o.oo : o.oo ;
Save Data Load Data
Cushion 50 gj| Time [ 10.00 Î
Plot stream
0 Phi □ Psi □ Theta □ Rudder 0 Wy □ Wz □ Wx □ Thrust □ Ay □ Az □ Ax □ Level
Ready to go
Рис.5. Программное обеспечение удаленного компьютера, режим автоматического управления
Наконец, управление в автоматическом режиме осуществляется путем задания коэффициентов пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД [8]) регулятора, которьш будет описан в следующем параграфе. При этом также можно анализировать графики
переменных состояния, которые строятся в режиме реального времени (рис. 5).
Общими параметрами для любого режима служат уровень мощности электромоторов нагнетающих импеллеров, а также время эксперимента. Задание нулевого значения для времени эквивалентно бесконечности, т.е. эксперимент будет длиться до тех пор, пока не будет нажата кнопка «STOP!». Между режимами можно переключаться без остановки эксперимента. Для всех режимов существует возможность записать данные использованных параметров для дальнеишего использования. Также в системе предусмотрены функции для сохранения графиков в виде картинок (в частности, графики для следующего раздела были сформированы при помощи этои функции), а также полученных данных с датчиков в текстовои форме для анализа.
Стабилизация курсового угла
Продемонстрируем применение системы на примере задачи стабилизации курсового угла СВП. Для начала исследуем динамику курсового угла при заданнои постояннои скорости вращения тягового импеллера и нулевом угле поворота сервопривода. Такое движение можно задать в системе при помощи режима управления с заданием постоянных значении. Ввиду того, что импеллер расположен не строго на оси центра масс, а также из-за влияния аэродинамического
Trmers
Рис.6. Динамика курсового угла при постоянной скорости вращения тягового импеллера и нулевом угле
поворота сервопривода
Очевидно, требуется применение автоматического управления с обратнои связью. В простеишем варианте при отсутствии математическои модели объекта управления задачу можно решить при помощи ПИД-регулятора, имеющего вид
t
u( t) = Kpe( t) + Ki J e( t )dx + Kde( t), 0
где u(t) - управляющии сигнал, e(t) - расхождение между текущим и заданным значениями регулируемои переменнои (в рассматриваемои задаче регулируемои переменнои является курсовои угол, а заданным значением будем считать значение курсового угла в начальный момент времени), Kp, Ki, Kd - постоянные коэффициенты усиления пропорциональной интегральнои и
дифференциальнои частеи регулятора соответственно. Часто бывает достаточно использования только пропорциональнои составляющей в таком случае говорят об использовании П-регулятора вида
u( t) = Kpe( t).
Попробуем в качестве коэффициента пропорциональности принять Kp = 2 . Как видно из
рис.7, такое управление не приводит к желаемому результату, курсовои угол расходится. Увеличение коэффициента пропорциональности в два раза только ухудшает ситуацию, увеличивая количество колебании системы (рис.8).
ТЕ!Ш,5
Рис.7. Динамика курсового угла при автоматическом управлении с П-регулятором при К р = 2
Рис.8. Динамика курсового угла при автоматическом управлении с П-регулятором при К р = 4
Так как процесс неустойчив при применении пропорционального регулятора по курсовому углу, добавление интегральнои или дифференциальнои составляющих так же не сможет улучшить ситуацию. Попробуем исходить из следующеи предпосылки. Момент вращения, появляющиися на корпусе СВП при повороте тягового импеллера, влияет на курсовои угол косвенно через угловую скорость. С учетом этого добавим в уравнение выходного сигнала слагаемое, пропорциональное значению угловои скорости судна. Тогда управляющии сигнал примет вид
и *( t; = Крв( t; + Кр^а у.
В качестве коэффициента пропорциональности примем Кра = -1. Как можно заметить из
рис.9, такая добавка позволяет стабилизировать курсовои угол. Некоторые отклонения от заданного значения можно объяснить неточностью отработки командного сигнала, неравномерностью поверхности пола, а также влиянием боковых потоков воздуха, образующихся из-за крена судна при изменении угла поворота тягового импеллера.
20 -
16 -
О 2.5 5 7.5 10
Timeps
Рис.9. Динамика курсового угла при автоматическом управлении с П-регулятором с добавлением значения
угловой скорости судна
Таким образом, в процессе проведения нескольких экспериментов, параметры которых легко настраиваются при помощи описанной выше системы, было получено удовлетворительное решение поставленнои задачи.
Заключение
Представленньш в статье программный комплекс является удобным средством для автоматизации работы с моделью СВП, что было продемонстрировано на примере задачи подбора коэффициентов ПИД-регулятора для задачи стабилизации курсового угла. Он может быть полезен не только для проведения научных исследовании, но и как инструмент для обучения студентов различным аспектам теории автоматического управления. Как показывает практика, работа с реальными динамическими объектами увеличивает мотивацию и интерес обучающихся, обеспечивая более глубокое понимание учебного материала. Наличие удобного инструмента для проведения экспериментов еще больше упрощает процесс обучения.
В качестве доработок системы можно выделить следующие. В первую очередь представляется необходимым добавление модуля для проведения идентификации математическои модели СВП. Это позволит обеспечить применение более сложных законов управления с учетом ограничении и требовании оптимальности, таких как линеино-квадратичные [9] и многоцелевые [10] регуляторы. Инструмент для автоматического синтеза различных регуляторов в зависимости от требовании также имеет смысл добавить в качестве модуля системы.
Еще одним важным дополнением может стать модуль для автоматизированного проведения серии экспериментов с заранее заданными параметрами. Такои модуль позволит избежать потери времени на ожидание конца текущего эксперимента для запуска следующего, если параметры не зависят от результатов текущего.
Кроме этого, необходимо расширить функциональность системы для работы с различными видами СВП, отличающимися количеством тяговых импеллеров, поворотными механизмами, а также использующими разделение воздушнои подушки на секции для создания восстанавливающих моментов по крену и дифференту. Такое обобщение позволит, в том числе, сравнивать эффективность работы различных систем актуаторов СВП и исследовать их преимущества и недостатки.
Литература
1. Лукомский Ю.А., Чугунов В.С. Системы управления морскими подвижными объектами. - Л.: «Судостроение», 1988.
- 272 с.
2. Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля: в трех томах. Том 3. Управляемость водоизмещающих судов.
Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания. - Л.: «Судостроение», 1985. - 544 с.
3. ТРИК. URL: http://www.trikset.com/.
4. MPU-9250 | InvenSense. URL: https://www.invensense.com/products/motion-tracking/9-axis/mpu-9250/.
5. Qt | Cross-platform software development for embedded & desktop. URL: https://www.qt.io/.
6. Qt Plotting Widget QCustomPlot. URL: http://qcustomplot.com/.
7. OpenCV. URL: http://opencv.org/.
8. Классический ПИД-регулятор. URL: http://www.bookasutp.ru/Chapter5_2.aspx.
9.
10.
Веремей Е.И. Линейные системы с обратной связью: Учебное пособие. - СПб: «Лань», 2013. - 448 с.
Веремей Е.И., Сотникова М.В. «Многоцелевая структура законов управления морскими подвижными объектами»
/ / Труды XII Всероссийского совещания по проблемам управления. - 2011.
References
1. Lukomskiy Yu.A., Chugunov V.S. Sistemy upravleniya morskimi podvizhnymi ob"ektami. - L.: «Sudostroenie», 1988. - 272s.
2. Voytkunskiy Ya.I. Spravochnik po teorii korablya: v trekh tomakh. Tom 3. Upravlyaemost' vodoizmeshchayushchikh sudov. Gidrodinamika sudov s dinamicheskimi printsipami podderzhaniya. - L.: «Sudostroenie», 1985. - 544 s.
3. TRIK. URL: http://www.trikset.com/.
4. MPU-9250 | InvenSense. URL: https://www.invensense.com/products/motion-tracking/9-axis/mpu-9250/.
5. Qt | Cross-platform software development for embedded & desktop. URL: https://www.qt.io/.
6. Qt Plotting Widget QCustomPlot. URL: http://qcustomplot.com/.
7. OpenCV. URL: http://opencv.org/.
8. Klassicheskiy PID-regulyator. URL: http://www.bookasutp.ru/Chapter5_2.aspx.
9. Veremey E.I. Lineynye sistemy s obratnoy svyaz'yu: Uchebnoe posobie. - SPb: «Lan'», 2013. - 448 s.
10. Veremey E.I., Sotnikova M.V. «Mnogotselevaya struktura zakonov upravleniya morskimi podvizhnymi ob"ektami» // Trudy XII Vserossiyskogo soveshchaniya po problemam upravleniya. - 2011.
Поступила: 15.10.2016
Об авторах:
Севостьянов Руслан Андреевич, аспирант кафедры компьютерных технологий и систем Санкт-Петербургского государственного университета, sevostyanov.ruslan@gmail.com;
Шаяхметова Лилия Владимировна, аспирант кафедры теории управления Санкт-Петербургского государственного университета, lilia.v.shayakhmetova@gmail.com.
