Реализация и экспериментальное исследование авторулевого автономного надводного мини-корабля «Нептун»

Аннотация

Б.В. Гуренко

Дата поступления статьи: 26.11.2013

На основе разработанной ранее математической модели автономного надводного мини-корабля «Нептун» и алгоритмов управления в статье предлагается структура авторулевого  надводного мини-корабля «Нептун», реализация на бортовом вычислителе. Приводятся результаты экспериментов. Мини-корабль двигается по заданному курсу с заданной скоростью в автономном режиме, и выполняет задачу позиционирования в точке

Ключевые слова: авторулевой, надводный мини-корабль, математическое моделирование

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

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; V_x - продольная скорости судна; – гидро- и аэродинамические силы и моменты создаваемые ими; Jy – момент инерции относительно оси Y;𝞈y – 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 =  -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.

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

Внешний вид автономного мини-корабля приведен на рис. 2 и рис. 3.

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 α
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 (φ =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 и11.

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.