Техническое задание на разработку системы управления беспилотным патрульным катером (БПК) по заданной траектории Версия 1.0.15.06.2016
Цель: разработать алгоритм и систему управления БПК в режиме движения по заданной траектории, а также систему управления огнем.
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. Определение требований к САУ БПК 2. Анализ систем моделирования и выбор среды для создания динамической модели БПК 3. Создание динамической модели БПК в выбранной среде моделирования 4. Состав бортового оборудования САУ БПК 5. Пример: САУ БПК на базе контроллера АrduPilot Megа 2560 Приложение: Ссылки Этапы реализации проекта по САУ БПК
Киев - 2016 ___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com
ВВЕДЕНИЕ Стимулом к развитию беспилотных патрульных катеров (БПК) во всем мире послужила потребность в легких, относительно дешевых катерах, обладающих высокими характеристиками маневренности и способных выполнять широкий круг боевых задач. Задачи: - Выработка требований к системе автоматического управления (САУ) БПК; - Анализ систем моделирования и выбор среды для создания динамической модели БПК; - Создание динамической модели БПК в выбранной среде моделирования; - Разработка алгоритмов САУ БПК; - Отработка алгоритмов на созданной имитационной модели; - Оценка результатов, получаемых при проведении модельных экспериментов; - Создание действующего комплекса САУ БПК на существующей элементной базе контроллеров (например, ArduPilot для Arduino Mega 2560).
1. Определение требований к САУ БПК Во время управления движением БПК возникают аэро- и гидро-динамические силы и моменты. В качестве регулирующих факторов, позволяющих воздействовать на БПК для управления его движением, используются углы отклонения рулей и тяга двигателя, а также управление носовым подруливающим устройством. БПК как объект управления представляет собой сложную динамическую систему из-за наличия большого количества связанных между собой параметров и сложных перекрестных взаимодействий между ними. Сложное движение часто разбивают на простейшие виды: угловые движения и движения центра масс, продольное и боковое движение. Органы управления, создающие управляющие воздействия, можно разделить на две группы: - органы управления продольного движения — тяга и реверс двигателей, а также рули; - органы управления боковым движением - носовое подруливающие устройство, а также управление двигателями и рулями «враздрай». Подобное деление органов управления является условным, так как можно привести режимы движения, в которых органы управления оказывают перекрестные воздействия на другие движения. В то же время, такой подход позволяет выделить главные функции конкретных органов и каналов управления и независимо решать множество относительно простых и имеющих практическую ценность задач. Для обеспечения полной автоматизации управления БПК необходимы следующие каналы управления: - каналы управления тяги двигателей; - каналы управления реверсом двигателей; ___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com
- канал управления рулями (возможно, независимое управление рулями — два канала); - канал управления носовым подруливающим устройством; - канал управления триммом винтов - балансирование и стабилизация катера в движении; - каналы управления пневмо-эжекторными и электрическими насосами балластной системы (крен, дифферент, всплытие, погружение); - каналы управления пневмо-форсунками системы терморегуляции и радио-маскировки (два режима); - каналы управления рулями погружения и крена с насосами на них; - каналы управления пусковыми установками - постановки дымов, выброса дипольных отражателей; - каналы управления навигационных огней, тепловизора, радара, эхолота; - и другие. Информация о движении БПК поступает в соответствующие каналы, где формируются команды на рули, управление двигателями, управление носовым подруливающим устройством. Стабильное управление БПК невозможно без создания приемлемой по качеству системы автоматического управления. Возможны три типа систем управления БПК: - ручная, - полуавтоматическая, и - автоматическая. В ручной системе управления оператор БПК, оценивая обстановку, обеспечивает выработку управляющих импульсов и с помощью командных рычагов через пульты управления отклоняет рули и управляет тягой двигателей, а также подруливающим устройством. В полуавтоматической системе управляющие сигналы оператора преобразуются и усиливаются различного рода автоматами и усилителями, обеспечивая оптимальные характеристики устойчивости и управляемости БПК. Автоматические системы обеспечивают полную автоматизацию отдельных этапов движения, освобождая оператора от непосредственного участия в управлении БПК. Неотъемлемой частью САУ движением БПК являются исполнительные механизмы. Включение математических моделей этих устройств в объект управления позволяет учесть их динамические и статические свойства. Исполнительные приводы рулей и мощность носового подруливающего устройства выбираются из условия, чтобы их нагрузочные характеристики обеспечивали необходимую динамику процессов управления, другими словами, от них требуется обеспечение перемещения с заданной скоростью рулей, нагруженного внешними силами и/или внешними моментами. ___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com
2. Анализ систем моделирования и выбор среды для создания динамической модели БПК Для отработки алгоритмов управления БПК и для реального изучения его поведения необходимо создать имитационную компьютерную модель. Использование таких моделей для разработки алгоритмов и подготовки к управлению реальным БПК позволяет значительно сократить количество реальных тестов САУ БПК. При этом, компьютерная модель должна отвечать следующим требованиям: - обеспечивать отработку всех задач, для которых предназначен БПК, включая планирование боевого задания и управления движением; - моделировать движение БПК и ведение огня максимально приближенно к реальным условиям; - моделировать действия в аварийных ситуациях и в случае выхода из строя отдельных систем БПК. На первоначальном этапе создания САУ стоит задача создать реалистичную модель БПК, на которой будут произведены исследования поведения различных систем управления. Для создания визуальной трехмерной модели БПК и использования ее в симуляторе, может быть использован, например, свободный пакет для создания трехмерной компьютерной графики Blender. Blender является проектом с открытым исходным кодом и развивается при активной поддержке Blender Foundаtion, а также распространяется по лицензии GNU GPL. После разработки математической модели БПК целесообразно создание программного комплекса Patrol Boat Simulator (PBS) для имитации управления БПК по аналогии с авиасимулятором FlightGear. Авиа-симулятор FlightGeаr это кросс-платформенный проект с открытым исходным кодом, доступен по лицензии GNU Generаl Public License. Система координат, используемая в авиа-симуляторе FlightGear, также применима и в 3D редакторе Blender. Использование в математической модели БПК концепций авиа-симулятора FlightGeаr позволит существенно сэкономить на этапе программирования Patrol Boat Simulator, поскольку исходный код FlightGear в открытом доступе и можно свободно его использовать, модифицируя и добавляя новые программные модули. Тангаж в симуляторе FlightGear - эквивалент дифферента, что позволит моделировать движение БПК в различных ветровых и волновых условиях с учетом волнового и ветрового сопротивления, а также в подводном положении. Для этого математическую модель БПК необходимо создавать в концепции JSBSim. PBS может быть использован и как тренажер для обучения операторов БПК. В дальнейшем на базе PBS возможно создание коммерческой игры World of Patrol Boats, которая также может использоваться для отработки навыков операторов БПК. Для создания более точной динамической модели БПК, которая позволила бы отработать алгоритмы управления можно, например, использовать пакет MATLAB - прикладная программа ___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com
для решения задач технических вычислений (см. ссылки в Приложении).
3. Создание динамической модели БПК в выбранной среде моделирования МАТLАВ - Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-схемы, диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем, оценивать их устойчивость и управляемость. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивающий прямой доступ к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и моделирования систем. MATLAB имеет инструменты, необходимые для расчета динамических моделей в реальном времени. Основой в создании САУ движения по траектории является разработка математической модели БПК в MATLAB, рассчитывающая все гидро-аэродинамические силы и моменты, которые используются для отработки алгоритма системы управления. Simulink дает возможность разделять модель на определенные подсистемы с входами и выходами. Это очень упрощает анализ моделей САУ, особенно сложных и включающих много уровней иерархии, и помогает лучше понять принцип их функционирования. Полная математическая модель пространственного движения БПК должна учитывать продольное движение, включая маневры в пространстве. Для создания полной модели необходимо учитывать все силы действующие на БПК. Для построения полной схемы САУ БПК в MATLAB должны быть использованы уравнения полной математической модели БПК. Схема должна быть разделена на блоки и подблоки. Модель рассчитываться в MATLAB, а для визуального отображения используется все тот же симулятор PBS с созданной анимированной моделью. С симулятора PBS передаются в модель MATLAB данные о текущем положении управляющих поверхностей и тяги двигателей, а модель в MATLAB, в свою очередь, после расчета динамики, передает обратно на симулятор PBS координаты и углы БПК в текущий момент времени. Все это может происходить в режиме реального времени. Для обеспечения интерфейса и обмена данными между моделью БПК в MATLAB и PBS можно использовать протокол UDP (User Datagram Protocol — протокол пользовательских датаграмм).
4. Состав бортового оборудования САУ БПК Для обеспечения боевых задач САУ БПК должна иметь в своем составе: - Спутниковую навигационную систему GPS; - Устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством; - Устройство обмена командной информацией; - Бортовая цифровая вычислительная машина; - Устройство, обеспечивающее открытие и/или прекращение огня по целям. ___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com
5. Пример: САУ БПК на базе контроллера АrduPilot Megа 2560 САУ БПК представляет собой сложную, многоуровневую структуру, основная задача которой – обеспечить вывод БПК в заданный район и выполнение боевых операций в соответствии с заданием, а также обеспечить доставку информации, полученной бортовыми средствами БПК, на пункт управления. Управление БПК может, например, осуществляться на базе контроллера АrduPilot Megа 2560. Бортовой комплекс АrduPilot Megа 2560 является полнофункциональным средством навигации и управления БПК. Комплекс обеспечивает: - определение навигационных параметров, углов ориентации и параметров движения БПК; - навигацию и управление БПК при движении по заданной траектории; - стабилизацию БПК в движении; - выдачу в канал передачи телеметрической информации о навигационных параметрах БПК. Центральным элементом бортового комплекса (БК) АrduPilot Megа 2560 является малогабаритная инерциальная навигационная система (ИНС), интегрированная с приемником спутниковой системы навигации GPS. Построенная на базе микроэлектромеханических датчиков (гироскопов и акселерометров) по принципу ИНС, система АrduPilot Megа 2560 является уникальным высокотехнологичным изделием. Состав БК: - блок инерциальной навигационной системы; - приемник спутниковой навигационной системы GPS; - блок автопилота; - накопитель данных по курсу. Комплекс совместим с радиоканалом ИКМ (импульсно-кодовая модуляция) и позволяет управлять БПК как в ручном режиме со стандартного пульта дистанционного управления, так и в автоматическом - по командам автопилота. Управляющие команды автопилота генерируются в форме стандартных широтноимпульсно-модулированных (ШИМ) сигналов, подходящих к большинству типов исполнительных механизмов. Технические характеристики АrduPilot Megа 2560: Размеры и вес: - блок автопилота, мм - 40х72х20; - вес, кг - 0,135. Электрические характеристики: - напряжение питания, В - 10...27; - потребляемая мощность (макс.), Вт - 5. ___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com
Окружающая среда: - температура, град С - от -40 до +70; - вибрация/удар, g — 20. Цифровые Входы/Выходы 54; Аналоговые входы 16; Тактовая частота 16 MHz; Оборудование включает в себя следующее: - трехосевой гироскоп; - трехосевой акселерометр; - Барометрический датчик давления для определения высоты; - 10Hz GPS модуль; - Контроль напряжения батареи; - У контроллера 16Mb памяти для хранения логов движения. Задачи будут автоматически записываться и их можно экспортировать в KML. - Возможность автоматического возвращения в точку старта при потере сигнала; - Реле для включения и выключения устройств по сценарию; - 3-осевой компас(магнитометр) HMC5883L. Это полностью программируемая плата-автопилот, подключив к которой GPS модуль и датчики, можно получить полностью функциональный электронный блок управления для БПК. Автопилот способен одновременно стабилизировать движение и управлять навигацией, что устраняет необходимость в отдельной системе стабилизации. Автопилот поддерживает режим дистанционно управляемого движения. Плата разработана на базе 16МГц микроконтроллера Аtmegа. Связь с контроллером осуществляется при помощи аналогового приемника «HiTEC RCD 9500». АrduPilot Megа 2560 может быть выбран из-за возможности свободно корректировать программный код и вносить изменения в алгоритм САУ. Немаловажны также такие факторы, как доступность на рынке и приемлемая цена.
Приложение: Ссылки http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardMega2560 http://arduino-kit.com.ua/product_397.html http://matlab.ru/products/matlab http://matlab.ru/products/simulink http://matlab.exponenta.ru/simulink/book1/ http://www.flightgear.org/ https://www.blender.org/ http://jsbsim.sourceforge.net/JSBSimReferenceManual.pdf ___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com
___________________________________________________________________________________ (с) Е. Платон, GSM: +380-50-206-9872 Skype: eugene.platon e-mail: eplaton@msn.com