РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА ТИПА ГЛАЙДЕР

REALIZATION AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE GLIDER’S TYPE

Andrey Maevskiy

technical of Research Institute of Robotics and Control Processing of the Southern Federal University,

Russia, Taganrog

Anatoly Nazarkin

assistant of Electrical Engineering and Mechatronics department of Southern Federal University,

Russia, Taganrog

Olesya Kosenk

senior lecturer of Automatic Control department of Southern Federal University, Russia, Taganrog

АННОТАЦИЯ

В статье описывается процесс реализации автономного необитаемого подводного аппарата типа глайдер. Приводится процесс разработки структурной схемы подводного аппарата, выделены его основные функции. Описано программное обеспечение, реализующее дистанционное управление аппаратом. На основании сформулированных требований разработана компоновочная схема и проведен выбор бортового оборудования.

ABSTRACT

The paper describes the process of implementation of the autonomous underwater vehicle of the glider type. Structural diagram of the glider is developed, it’s main functions are underlined. Description of distributed software, used for glider remote control follows. On the basis of stated requirements to the vehicle, layout diagram is developed and on-board equipment is selected.

Ключевые слова: глайдер, подводный аппарат, исполнительные механизмы, система управления.

Keywords: glider, underwater vehicle, actuators, control system.

Введение

Начиная с конца 80-х годов 20-го века ведущие зарубежные ученые проводят исследования, направленные на развитие автономных необитаемых подводных аппаратов. За последнее десятилетие произошли кардинальные изменения в области морской робототехники. Это связано с появлением новых материалов, развитием технологий вычислительной техники, навигационных систем и систем связи.

Одним из распространенных автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) является АНПА типа глайдер, который за счет своей конструкции позволяет с меньшими энергозатратами находиться в плавании более длительное время, по сравнению с АНПА других типов [1].

Актуальность выполнения работы обусловлена многочисленными проблемами в области морской экологии.

Разработка структуры АНПА типа глайдер

При разработке АНПА была выбрана следующая структура организации взаимодействия составных частей глайдера, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема АНПА типа глайдер

Основное место в данной структуре занимает микроконтроллерный блок управления исполнительными механизмами (МКБУ), который осуществляет управление помпой, при помощи которой устройство набирает воду во внутренний резервуар и начинает погружаться под воду, весь блок управления помпой связан с МКБУ при помощи датчиков протекания и давления. Обратная связь с двигателем, перемещающим внутреннюю массу устройства, позволяет управлять микроконтроллеру углом тангажа робота, что изменяет его направление движения в водной среде. Подключенный FM приемник позволяет осуществлять режим дистанционного управления роботом [2].

Основным элементом блока управления является микроконтроллер, на которые возложены следующие функции:

• прием и обработка навигационной информации от средств спутниковой (при всплытии на поверхность) и инерциальной навигации;
• обработка данных от датчика давления в балластном мешке и датчика протечки;
• обработка данных от радиоприемника и выдача управляющих воздействий;
• управление глайдером в автоматическом режиме по синтезированному закону управления;
• управление исполнительными механизмами глайдера с помощью драйверов.

Разработка программного обеспечения для МКБУ

Программное обеспечение для МКБУ разрабатывается в специализированной среде для разработки и отладки ПО для всех семейств микроконтроллеров фирмы AVR CodeVisionAVR.

После подачи питания на контроллер, программа автоматически начинает свою работу. Первоначально происходит инициализация задействованных портов и регистров микроконтроллера и выполняются команды препроцессора.

Для установления связи необходимо синхронизировать параметры передающих и принимающих устройств. Для этого необходимо в регистрах настройки UART выставить значения, соответствующие следующим параметрам, представленным в таблице 1.

Таблица 1.

Настройка UART

Выбранная скорость 9600 бод/с обусловлена тем, что подходит для быстродействия всей системы. Далее устанавливается размер буфера данных. Для объемов данных, передаваемых по каналу и скорости передачи достаточно отвести для буфера обмена по 8 байт на прием и передачу.

Для управления мотором, отвечающим за положением груза смещаемого центра масс, необходимо рассчитать параметры ШИМ сигнала, исходя из следующих требований:

• частота сигнала должна иметь значение 40–50 Гц;
• необходима достаточная плавность регулирования изменения угла поворота.

Так как мотор и помпа управляются с разных каналов одного и того же таймера, то настройки ШИМ сигнала одинаковы.

Таким образом использование микроконтроллера AVR crumb2560 и ПО, разработанное для этого контроллера, должным образом позволяет обеспечивать дистанционное управление глайдером.

Выбор оборудования и реализация

При реализации АНПА типа глайдер выбрана компоновочная схема, отвечающая следующим требованиям:

• равномерное распределение массы по длине глайдера при отсутствии
• балласта и центральном положении груза;
• длина соединительных проводников не должна превышать пределов,
• заявленных производителем оборудования;
• удобство монтажа, наладки, обслуживания и замены элементов системы.

Для улучшения гидродинамических свойств аппарата изготовлены гидродинамические поверхности [3]. Внешний вид глайдера представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид глайдера

При разработке глайдера использованы следующие элементы системы:

• равномерное распределение массы по длине глайдера при отсутствии
• балласта и центральном положении груза;
• длина соединительных проводников не должна превышать пределов,
• заявленных производителем оборудования;
• удобство монтажа, наладки, обслуживания и замены элементов системы.

Заключение

В результате проведенной работы, было выбрано необходимое бортовое оборудование, позволяющее в полной мере реализовать конструкцию подводного глайдера. Разработан микроконтроллерный блок управления глайдером, сочетающий в себе управление механизмом изменения плавучести и центром масс устройства. Была произведена наладка радиоканала связи для дистанционного управления глайдером.

Благодарности

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ, НИР № 114041540005 по государственному заданию ВУЗам и научным организациям в сфере научной деятельности.

Список литературы:

1. Кожемякин И.В., Рождественский К.В., Рыжов В.А., Смольников А.В., Татаренко Е.И. Подводные глайдеры: вчера, сегодня, завтра. Ч. 1 // Морской вестник. – 2013. – № 1. С. 113–117.
2. Маевский А.М. Назаркин А.С. Разработка микроконтроллерного блока управления двигателем подводного глайдера // Материалы 4-й школы-семинара «Молодежно-студенческие проекты и исследования для рационального освоения прибрежно-шельфовых зон». – 2014. С. 14–16.
3. Пшихопов В.Х., Б.В. Гуренко Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля «Нептун» // Инженерный вестник Дона. 2013. № 4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/.