ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОТОТИПОМ ПЕРСПЕКТИВНОГО СУДНА

REMOTE CONTROL OF THE PROSPECTIVE SHIP PROTOTYPE

Askar Alparov

сandidate of Science, Associate Professor of Kazan National Research Technical University-KAI,

Russia, Kazan

Alexey Blagov

senior Lecturer of Kazan National Research Technical University-KAI,

Russia, Kazan

Anatoly Makhanko

candidate of Science, Associate Professor of Kazan National Research Technical University-KAI,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Разработана система управления самоходной моделью перспек­тивного судна повышенной мореходности, позволяющая провести швартовные, ходовые испытания с проверкой устойчивости на курсе, маневренные испытания и испытания на мореходность модели нового типа судна, как в дистанционном, так и в пилотируемом режимах.

ABSTRACT

A control system has been developed for a self-propelled model of a perspective vessel with high seaworthiness, which allows for mooring, chassis tests with stability check on the course, maneuver tests and seaworthiness tests of the vessel model, in remote and manned modes.

Ключевые слова: тримаран, дистанционное управление, приводы электромеханические, штурвал, микропроцессорный блок, телевизионная система, сигналы телеметрии.

Keywords: trimaran, remote control, electromechanical drives, steering wheel, microprocessor unit, television system, telemetry signals.

Одним из эффективных способов повышения мореходности судов и кораблей является применение многокорпусных конструкций – катамаранов (двухкорпусных судов) и тримаранов (трехкорпусных судов). Для оценки мореходных и маневренных свойств нового типа судна была построена самоходная модель тримарана. В ее конструкции реализованы некоторые перспективные идеи, в частности, вынос главных силовых установок в боковые корпуса – аутригеры.

Одно из преимуществ схемы тримарана по сравнению с однокорпусными судами заключается в освобождении самой ком­фортабельной средней части корпуса от главной силовой установки и использования ее для размещения пассажиров или полезной нагрузки. При равном с однокорпусным судном водоизмещении у тримарана значительно больше площадь палубы, что дает ряд преимуществ, например при размещении на борту судна вертолетов или какого-либо специального оборудования [3, c. 69].

Для получения достоверной экспериментальной информации была построена 12-ти метровая самоходная модель судна (рис. 1), обеспечивающая несколько режимов проведения испытаний:

• режим ручного управления моделью оператором, находящимся на борту,
• дистанционное управление оператором, находящимся на сопровождающем судне или на берегу,
• режим автоматического движения по предварительно заданной траектории.

Рисунок 1. Самоходная модель тримарана на испытаниях

Включение в число режимов дистанционного управления моделью обусловлено требованием повышения безопасности персонала при проведении испытаний в сложных и критических условиях плавания.

Режим автоматического движения по заданной программе предназначен для реализации в процессе испытаний многократного повторяющегося движения с максимально возможной точностью воспроизведения траектории. Для реализации автоматического режима движения предназначен картплоттер GPSMAP 526s широко исполь­зуемый на маломерных судах [1, с. 198].

При разработке системы управления самоходной модели тримарана был принят вариант без дублирования в схеме системы механического и электромеханического привода исполнительных механизмов. Даже при ручном управлении оператором – рулевым, находящимся на борту модели, все управление производится с помощью электромеханических приводов.

Для удобства работы оператора внешний вид и эргономические свойства органов ручного управления сохранены в традиционном виде - многооборотный штурвал для управления рулем и сдвоенные рычаги управления двумя двигателями. Этими рычагами производится управ­ление, как направлением, так и скоростью движения по принципу машинного телеграфа. Управление возможно каждым двигателем по отдельности или двумя двигателями одновременно.

Несмотря на традиционную компоновку и форму органов управления модели они не связаны традиционными механическими передачами (тросами или рычагами) с соответствующими рулями или органами управления двигателями. Все воздействия рулевого на органы управления преобразуются в электрические сигналы. Рулевой воздей­ствует на соответствующие датчики, сигналы которых передаются в электронный блок системы управления, формирующий по этим командам сигналы для приводов органов управления модели. Приводы электромеханические, состоящие из электродвигателя, редуктора и датчиков обратной связи.

Такой принцип построения системы позволил удобно переключать режимы работы системы управления с ручного на дистанционный. Это возможно, поскольку сигналы с мобильного пульта управления формируются в виде полностью аналогичном сигналам при ручном управлении и передаются на борт с помощью радиоканала.

В состав системы дистанционного управления (рис. 2) входит бортовое оборудование управления судном - размещаемое в пульте управления техническими средствами (рабочий кокпит).

Система управления моделью обеспечивает:

1. управление (пуск, стоп, задание режимов работы от холостых оборотов до полного газа, формирование команд – «вперед», «назад», «нейтраль») для каждого двигателя;
2. управление рулями, при перекладке руля в пределах ±37º.
3. вспомогательные операции приведения системы управления в рабочий режим или в режим ожидания.

Основу системы составляет микропроцессорный блок управления (МБУ) (рис. 2). Прототипом используемого блока управления следует считать хорошо зарекомендовавший себя в различных, в том числе сложных, условиях работы микропроцессорный блок управления трансмиссией тяжелого промышленного трактора [2, с. 68].

МБУ формирует управляющие сигналы для органов управления расположенных на: дроссельных заслонках двигателей, рычагах управ­ления реверсом трансмиссии, баллере руля. Посредством интерфейсной связи (RS-232, CAN) МБУ считывает информацию, передаваемую изме­рительным блоком пульта управления и картплоттером.

МБУ является основным элементом бортовой системы управления модели судна. Он осуществляет прием сигналов от органов управления, датчиков, навигационных и др. приборов, и, в соответствии с программой, формирует сигналы для воздействия на исполнительные приводы системы управления

В состав МБУ входят:

• входные схемы согласования сигналов;
• аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
• программируемый микроконтроллер;
• схемы гальванической развязки;
• электронные силовые ключи;
• интерфейсные схемы.

Для дистанционного управления разработан специальный мобиль­ный пульт (рис. 2) реализующий все необходимые функции управления. Чтобы обеспечить возможность оперативного управления движением модели в стесненной обстановке на значительном удалении от места расположения оператора в состав мобильного пульта включена телевизионная система. Эта система состоит из бортовой аппаратуры, размещенной на модели и аппаратуры в составе мобильного пульта управления.

В качестве источника видеоинформации были использованы специализированные миниатюрные камеры высокого разрешения HD19 фирмы Boscam. Одна из этих камер установлена в специальном боксе на мачте самоходной модели и направлена вперед по курсу.

Рисунок 2. Система дистанционного управления

Для оперативного контроля движения модели (курс, скорость, текущие координаты) в канал камеры направленной «по курсу», включается специальный модуль экранной телеметрии Hornet OSD со вспомогательным GPS-приёмником. Он вписывает в кадр цифровые значения интересующих параметров. Специальный модуль радио­передатчика также установленный на мачте, обеспечивает связь с аппаратурой мобильного пульта на расстоянии до 1÷5 км.

В комплект бортового оборудования макета входят и другие телевизионные камеры (рис. 2). Одна из них может быть оперативно подключена к соответствующему радиоканалу, а регистрируемое ей изображение воспроизведено на экране телевизора. Направление, в котором смотрит эта камера, устанавливается перед очередным испытанием. В некоторых вариантах испытаний камера была направлена на ватерлинию одного из аутригеров (бокового корпуса модели) для получения информации о характере обтекания набегающим потоком корпуса аутригера при движении модели в условиях волнения. Еще две камеры записывали изображение на свою внутреннюю карточку памяти. Эта информация становилась доступной для исследования только по окончании очередного испытания.

В состав мобильного пульта управления (рис. 3) входит приемник телевизионной информации с дополнительными сигналами телеметрии типа RC832 и телевизионный приемник типа SUPRA STV-LC16830WL с плоским ЖК экраном размером 15'' (330 х 185 мм). Этот приемник смонтирован в подъемной крышке мобильного пульта. В транспортном положении при закрытой крышке это обеспечивает компактность мобильного пульта и предохранение телевизионной аппаратуры от случайных повреждений. Перед началом работы необходимо перевести крышку пульта в рабочее положение и присоединить две съемные антенны (приемную антенну телевизионного канала и передающую антенну канала дистанционного управления), которые в транспортном положении хранятся в специальном отсеке пульта.

Канал управления реализует полный набор команд предусмотренных для оперативного дистанционного управления моделью.

Рисунок 3. Мобильный пульт управления

Система дистанционного управления движением модели обеспе­чивает набор функций управления, который полностью идентичен функциям управления с поста рулевого самоходной модели при ручном управлении:

• включение и выключение зажигания двух главных двигателей,
• запуск двигателей с помощью индивидуальных электрических стартеров,
• переключение муфты реверса в двигателях для выбора направ­ления движения или перевода двигателя в режим холостого хода,
• управление скоростью движения модели путем регулирования "газа" двигателя от "малого" до "полного" (раздельно для каждого двигателя или совместно),
• управление положением рулей для маневрирования при дви­жении модели.

Включение в состав пульта дистанционного управления телеви­зионного канала, камера которого смотрит прямо по курсу, позволяет оператору реализовать управление в условиях достаточно полной имитации присутствия оператора непосредственно на борту модели.

В конструкции мобильного пульта для размещения органов управления предусмотрена заглубленная в корпус пульта панель, на которой расположены органы управления. Это сделано для безопасного размещения телевизионного приемника в транспортном положении. Под панелью размещены платы электронных схем и источник авто­номного питания аппаратуры пульта (сменная аккумуляторная батарея типа Dicom PB-2400).

На панели расположены кнопки и переключатели для управления зажиганием и стартером двигателей, включения питания телевизионного канала и канала управления, а также средства управления двигателями и рулем самоходной модели тримарана.

Для облегчения пользования мобильным пультом основные органы управления – двигателями и рулями модели эргономически выполнены подобными традиционным органам управления мало­мерными судами и своим видом и особенностями использования соответствуют органам управления на борту модели.

Сигнал управления положением рулей задается с помощью пяти оборотного потенциометра, на оси которого установлен миниатюрный штурвал. Штурвал заглублен относительно панели. Для предохранения потенциометра от повреждений в конструкцию введен специальный механический ограничитель угла поворота, который останавливает штурвал, при достижении предельного угла поворота не нагружая детали потенциометра. Контроль величины формируемой команды на поворот рулей осуществляется с помощью специального стрелочного прибора расположенного на панели непосредственно над штурвалом, численное значение показаний которого соответствует заданному командой углу поворота рулей модели.

Органы управления двигателями выполнены в виде заглубленной ниже уровня панели прямоугольной площадки, на которой размещены продольные прорези для двух клавиш. Размер клавиш выбран из удобства управления ими пальцами одной руки. Клавиши позволяют управлять двигателями произвольно, том числе заставить их работать "враздрай", когда один двигатель работает передним ходом, а другой задним ходом, обеспечивая разворот модели на месте. В одной из клавишей установлен стопор, который позволяет сблокировать обе клавиши для синхронного управления обоими двигателями для прямо­линейного движения. Перемещение клавиш управления двигателями предается на потенциометрические датчики, формирующие сигнал для электронного блока управления. Этот электрический сигнал обрабаты­вается программой, которая распознает и формирует сигналы управления муфтой реверса для каждого двигателя ("нейтраль", "передний ход" и "задний ход") и сигналы управления дроссельными заслонками двигателей, задавая скорость движения модели от малой скорости до полной. Алгоритм работы программы показан на рис. 4.

Для согласования параметров управляющего сигнала с воз­можность преобразования сигналов в АЦП используемого в системе управления микроконтроллера исходный управляющий сигнал принят однополярным. В небольшой области около нейтрального положения клавиши, чему соответствует напряжение сигнала равное половине напряжения питания потенциометрического датчика, формируется сигнал "нейтраль" для привода перемещения муфты реверса и сигнал "холостой ход" для привода дроссельной заслонки соответствующего двигателя.

Рисунок 4. Алгоритм работы программы

При сдвигании клавиши вперед для привода муфты реверса формируется сигнал "Передний ход". От величины сдвига зависит величина сигнала подаваемого на привод дроссельной заслонки – от "Малый ход" до "Полный ход". При сдвигании клавиши назад от нейтрального положения для привода муфты реверса формируется сигнал "Задний ход". Команда на поворот дроссельной заслонки зависит от величины сдвига клавиши. Такой алгоритм работы управления двигателем модели при использовании мобильного пульта полностью совпадает с традиционными манипуляциями с помощью машинного телеграфа. Для облегчения пользования клавишами управления двига­телями на корпусе площадки, на которой расположены клавиши, установлены упоры, позволяющие установить клавиши в нейтральное положение.

Сформированные команды управления с помощью микропроцес­сорного блока управления преобразуются к стандартному виду, при­нятому для радиоуправления авиационными моделями, что позволяет использовать для передачи и приема сигналов авиамодельную радио­аппаратуру.

Самоходная модель тримарана с системой дистанционного управления, разработанной авторами, успешно прошла полный цикл испытаний: швартовые, ходовые испытания с проверкой устойчивости на курсе, маневренные испытания и испытания на мореходность.

Список литературы:

1. Алпаров А.У., Благов А.Е., Дегтярев Г.Л., Маханько А.В., Маханько А.А., Руденко С.А., Харитонов А.Ю. Микропроцессорная система управления самоходной моделью тримарана // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. – Казань, 2014. – No 3. – С. 197-200.
2. Дегтярёв Г.Л., Маханько А.А. Опыт применения микропроцессорных систем управления на тяжёлых транспортных машинах // Вестник казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. – Казань, 2007. – No 1 (45). – С. 68-70.
3. Руденко С.А. Объективное сравнение – основа выбора // Морской сборник – Москва, 2012. – No 4. – С. 68-75.