Разработка и исследование подсистемы формирования программной траектории автономного необитаемого подводного аппарата - Дипломная работа

За последние 30 лет в различных странах, занимающих ведущее положение в области морских технологий, было создано свыше 9 тысяч самоходных необитаемых подводных аппаратов (НПА) для решения широкого круга задач. Эти аппараты уже продемонстрировали свою эффективность при проведении различных видов работ. АНПА представляет собой автоматический самоходный носитель исследовательской аппаратуры, способный погружаться в заданный район океана на глубину до 6 км, двигаться по программной траектории, выполнять требуемые работы и по окончанию программы возвращаться на обеспечивающее судно или береговую базу. Перед тем, как загрузить программу на АНПА следует загрузить программу на имитационную модель АНПА. Для решения вышеперечисленных задач следует разработать информационную систему, позволяющую автоматизировать процесс подготовки миссии, а также осуществлять симуляцию выполнения миссии аппаратом.Автономные необитаемые подводные аппараты классифицируются по двум признакам: по массе и по форме. По массе АНПА подразделяются на микро, мини, малые, средние и большие (рисунок 1). К автономным подводным микроаппаратам относятся аппараты массой менее 20 кг. Большая часть АНПА создается с использованием бионических принципов и носит экспериментальный характер. К категории мини-АНПА принадлежат аппараты массой в пределах 20-100 кг (15-20% от общего числа зарубежных проектов АНПА).Автономные необитаемые аппараты решают обширный круг задач, которые со временем пополняется. Первоначально их суть заключалась в обеспечении эхолокационной и фотографической съемки дна с целью поиска и обнаружения затонувших объектов, а также в различных физических измерениях по характерным маршрутам и профилям. Специализация на решении подобных задач привела к появлению отдельного класса обзорно-поисковых и обследовательских аппаратов. Современные АНПА способны решать следующие обзорно-поисковые задачи: - обследование и мониторинг акваторий; Наибольшая трудность при обнаружении и обследовании объектов, имеющих большую протяженность (до сотен километров), связана, прежде всего, с необходимостью комплексной обработки информации от различных устройств системы технического зрения (гидролокационных и видеоизображений) и придания системе управления аппарата функций интеллектуального поведения.В зависимости от конкретной решаемой задачи комплекс оборудования, установленного на борту АНПА может содержать различные измерители параметров водной среды и приборы для изучения свойств приповерхностных слоев грунта, донных объектов и т.д. В состав системы технического зрения АНПА могут входить разнообразные устройства, обеспечивающие обзор и съемку дна в зависимости от характера и цели проводимой работы, а также выработку визуальной информации, необходимой для управления аппаратом. К перечисленным системам и устройствам следует, очевидно, добавить разнообразнейшее по составу и функциональным свойствам базовое оборудование, обеспечивающее навигацию, управление и связь. Как правило, в составе современных подводных аппаратов используются навигационные комплексы, включающие бортовые автономные (рисунок 3), гидроакустические и спутниковые системы навигации (рисунок 4). Также состав навигационного комплекса входят, кроме того, цифровой кварцевый датчик давления (глубины), доплеровский лаг (рисунок 5), индукционный компас (рисунок 6) и т.д.Автоматизация - одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоемкость выполняемых операций.Система автоматизации подготовки миссии для АНПА разрабатывается в следующих целях: - освободить оператора от выполнения рутинной операции, за счет введения высокоуровневых операций (например, “Двигайся по путевым точкам”); снизить требования для операторов;Система автоматизации подготовки миссии состоит из двух основных частей (рисунок 6): программа подготовки миссии для АНПА, программа симуляции миссии АНПА. Система автоматизации подготовки миссии для АНПА должна позволять пошагово разрабатывать программу-задание и загружать ее в СПУ АНПА, подготавливать аппарат к запуску, активно контролировать процесс выполнения, а также копировать данные из бортовых накопителей информации после подъема аппарата. Основной частью системы автоматизации подготовки миссии является программа симуляции миссии (или симулятор). Симулятор миссии - программное средство, предназначенное для отладки составляемой миссии и позволяющее отображать траекторию, построенную по результатам постобработки навигационных данных АНПА, и виртуальную трехмерную картину движения аппарата, полученную в результате моделирования.Элементы покрытия - это фигуры, по которым движется АНПА в целях обследования акватории.Движение АНПА в этом случае задается как последовательность параллельных взаимообратн

Содержание

Реферат

Обозначения и сокращения

Введение

1. Особенности применения анпа в задачах обследования акватории

1.1 Виды АНПА

1.2 Задачи, решаемые АНПА

1.3 Оборудование, устанавливаемое на АПНА при решении различных задач

2. Автоматизация подготовки миссии для АНПА

2.1 Назначение системы автоматизации подготовки миссии для АНПА

2.2 Элементы системы автоматизации подготовки миссии для АНПА

2.3 Типовые элементы покрытия акватории

2.3.1 Меандр

2.3.2 Циклоида

2.3.3 Зигзаг

3. Разработка подсистемы формирования программной траектории

3.1 Формирование требований

3.2 Математические модели

3.2.1 Математическая модель движения АНПА в пространстве

3.2.2 Математическая модель блока управления АНПА

3.1.2.1 Управление АНПА по глубине

3.1.2.2 Управление в горизонтальной плоскости)

3.2.3 Математическая модель блока отклонения

3.3 Выбор средства реализации

3.3.1 Операционная среда Simulink

3.4 Реализация

3.4.1 Реализация модели движения АНПА

3.4.2 Реализация блока управления АНПА

3.4.3 Реализация блока отклонений

3.4.4 Реализация подпрограмм, генерирующих заданную траекторию

3.4.5 Настройки среды Simulink

3.4.6 Реализация интерфейса

4. Исследование работы подсистемы формирования программной траектории

4.1 Отладка работы подсистемы на контрольной задаче

4.2 Отладка взаимодействия с сопрягаемыми элементами

4.3 Предложения по дальнейшему совершенствованию

Заключение

Список использованных источников

Приложение А Приложение Б

Обозначения и сокращения

НПА- Необитаемый подводный аппарат

СПК- Судовой природоохранный комплекс

АНПА (AUV) - Автономный необитаемый подводный аппарат

БАНС- Бортовая автономная навигационная система

ГАСС- Гидроакустическая система связи

СПУ- Система программного управления

ОКР- Опытно-конструкторские работы

ИИС- Информационно-управляющая система

СТЗ- Система технического зрения

ГБО- Гидролокатор бокового обзора

ПО- Программное обеспечение

ПЭВМ Персональная электронно-вычислительная машина

ДСК Декартова система координат

DEE Differential Equation Editor

GUI Graphical user interface

За последние 30 лет в различных странах, занимающих ведущее положение в области морских технологий, было создано свыше 9 тысяч самоходных необитаемых подводных аппаратов (НПА) для решения широкого круга задач. Эти аппараты уже продемонстрировали свою эффективность при проведении различных видов работ.

Одним из видов НПА являются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). АНПА представляет собой автоматический самоходный носитель исследовательской аппаратуры, способный погружаться в заданный район океана на глубину до 6 км, двигаться по программной траектории, выполнять требуемые работы и по окончанию программы возвращаться на обеспечивающее судно или береговую базу. АНПА работает под водой автономно, без связующего кабеля. Передача команд на борт аппарата и информации обратно осуществляется с помощью гидроакустической системы связи (ГАСС). На борту АНПА имеется бортовая автономная навигационная система (БАНС), измерители параметров среды, фото-видеоаппаратура, обзорные гидролокаторы, геофизическая аппаратура (магнитометр, акустический профилограф, гравиметр). В конструкции аппаратов использована модульная технология, позволяющая легко модернизировать аппарат под конкретную задачу.

АНПА активно применяют для обеспечения экологической безопасности водных объектов. АНПА комплектуются судовые природоохранные комплексы (СПК), обеспечивающие оперативный экологический контроль.

При подготовке к выполнению задания оператор должен ввести программу-задание (миссию) в систему программного управления (СПУ) АНПА. Программа представляет собой набор последовательных команд поворотов АНПА, изменения глубины, включения или выключения приборов и т.д. Для облегчения работы оператора процесс подготовки задания следует автоматизировать.

Перед тем, как загрузить программу на АНПА следует загрузить программу на имитационную модель АНПА. Это целесообразно по двум причинам. Во-первых, возможность обнаружения ошибки в программе, а ошибка может привести к потере АНПА. Во-вторых, поиск наиболее эффективного алгоритма (или его параметров) для реализации конкретной задачи.

Для решения вышеперечисленных задач следует разработать информационную систему, позволяющую автоматизировать процесс подготовки миссии, а также осуществлять симуляцию выполнения миссии аппаратом. Такая система должна состоять из множества подсистем: подсистема формирование программной траектории АНПА, модель среды, модели измерительных преобразователей и другие, а также накопители данных и визуализаторы процессов движения АНПА. Каждая подсистема может находиться на отдельном компьютере. Таким образом, в настоящее время задача создания системы автоматизированной подготовки миссии для АНПА, позволяющей облегчить подготовку миссии и наглядно отображать результаты моделирования при различных вариантах задания исходных данных, является важной, актуальной и экономически оправданной.

Целью бакалаврской работы является разработка подсистемы формирования программной траектории АНПА. Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи: ? рассмотреть особенности применения АНПА при обследовании акватории;

? сформировать требования к подсистеме формирования программной траектории АНПА;

? выбрать средства реализации имитационного моделирования;

программное обеспечение подводный аппарат

? разработать отладить программную реализацию математической модели движения АНПА, разработанной в ходе опытно-конструкторских работ (ОКР);

? разработать и отладить подсистему формирования программной траектории АНПА;

? проверить отработку элементов подсистемы на контрольной задаче;

? сформировать предложения по дальнейшему совершенствованию системы.