ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)
«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»
Факультет Инженерный
Кафедра Систем автоматического управления
Направление Управление в технических системах
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к выпускной квалификационной работе
На тему:
Система управления подводным роботом
Белоусов Павел
Кисловодск 2018
ЗАДАНИЕ
по выпускной квалификационной работе студента
Белоусова Павла Олеговича
1. Тема работы:
Система управление подводным роботом
утверждена приказом по вузу №_____ «____» 2018г.
2. Срок сдачи студентом законченной работы «____» __________2018 г.
3. Исходные данные к системе: Уравнение изменения скорости подводного робота:
и передаточная функция по глубине погружения:
.
Синтезировать законы управления скоростью и процессом погружения подводного робота, обеспечивающие астатизм первого порядка по скорости и по глубине погружения. Разработать алгоритмы работы микроконтроллера для реализации синтезированных законов управления. Выбрать микроконтроллер для реализации разработанного устройства. Исследовать вопросы безопасности, экологичности и провести технико-экономическое обоснование системы управления роботом.
4. Содержание пояснительной записки:
1. Описание движений подводного робота
2. Синтез управлений движениями подводного робота
3. Моделирование синтезированных систем
4. Разработка технической реализации устройств управления
5. Безопасность и экологичность системы
6. Технико-экономическое обоснование системы
7. Заключение
9. Список используемых источников.
5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):
1. Система координат и модель подводного робота (слайд№ 1)
2. Синтез устройства скоростью подводного робота (слайд № 2)
3. Синтез устройства управления глубиной погружения подводного робота (слайд№ 3)
4. Алгоритм вычисления управляющих воздействий по каналу управления глубиной подводного робота (слайд № 4)
5. Микроконтроллерная реализация управления глубиной (слайд № 5)
6. Безопасность и экологичность (слайд № 6)
7. Технико-экономические показатели разработки (слайд № 7).
Дата выдачи задания
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа содержит 100 страниц, 6 таблиц, 34 рисунка, список источников из 13 наименований.
Ключевые слова: подводный робот, движение, уравнение, погружение, система управления, себестоимость, экологичность.
Целью выпускной квалификационной работы является проектирование системы управления движением подводного робота. Для достижения этой цели в работе были решены следующие задачи: проведен анализ математической модели подводного робота; показана возможность достижения роботом заданной глубины в допустимых пределах; проведен синтез управлений как скоростью движения, так и погружением на заданную глубину; выбраны средства технической реализации устройств управления.
Решены задачи технико-экономического обоснования, а также безопасности и экологичности системы.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1.1 Система координат
1.2 Линейные уравнения движения подводного робота
2. СИНТЕЗ СИСТЕМ УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО РОБОТА
2.1 Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов (АКОР
2.2 Реализация оптимального управления полной информации о состоянии объекта
2.3 Метод АКОР в MATLAB
2.4 Управление глубиной погружения подводного робота
2.5 Применение метода АКОР к расчетам глубины подводного робота
2.6 Синтез системы управления скоростью робота
2.7 Применение метода АКОР к расчетам скорости подводного робота
3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯМИ ПОДВОДНОГО РОБОТА
3.1 Цифровая реализация регуляторов
3.2 Описание устройства управления на микроконтроллере
3.3 Характеристики микроконтроллера
3.4 Другие элементы системы управления
3.5 Работа системы управления
3.6 Вывод и обработка информации
3.7 Алгоритм вычисления управляющих воздействий
4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СИСТЕМЫ
4.1 Анализ причины возникновения опасных и вредных факторов при проектировании систем
4.2 Меры по устранению причин опасных и вредных факторов при проектировании систем
4.3 Пожарная безопасность
4.4 Дерево отказов
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ
5.1 Маркетинговое исследование рыночных перспектив разработки
5.2 Выбор аналога
5.3 Расчет затрат на этапе проектирования
5.4 Сводные экономические показатели
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВЕДЕНИЕ
В настоящее время все более широкое распространение получают многоцелевые подводные роботы. Они представляют собой новый класс подводных робототехнических объектов, которые предназначены для выполнения специфических задач и характеризуются особенностями технологии, составом систем и функциональными свойствами. Проблемы, связанные с созданием и развитием подводных роботов (рис.1), многоплановы и во многих случаях не имеют пока законченных решений.
Системы, входящие в состав подводных роботов и судового оборудования, отличаются большим разнообразием по назначению и физическим принципам работы, что порождает достаточно жесткие и противоречивые требования к технологии производства и системной организации систем управления автономными подводными роботами.
Рисунок 1- Подводные роботы
Расширение функциональных возможностей подводных роботов связано также с решением в автоматическом режиме ряда новых инженерных задач. В первую очередь это задачи управления и навигации, ориентирования в подводном пространстве, сбора и накопления разнообразной целевой информации о среде и, наконец, обеспечения безопасности аппарата в штатных режимах и в особых ситуациях.
Основным разработчиком подводных роботов в Российской Федерации является Институт проблем морских технологий (ИПМТ, г. Владивосток), который имеет более чем 30-лений опыт создания и использования подводных роботов для исследования океана и выполнения, различных подводно-технических робот. Первым подводным роботом, разработанным в ИПМТ, был “Скат-гео”. В дальнейшем полученные при его создании результаты использовались при проведении различных теоретических исследований и практических разработок; публиковались в журнальных статьях , трудах международных конференций , в тематических сборниках “Подводные роботы и их системы” (1987-1995) и “Морские технологии” (1996-2003), коллективной монографии “Автономные необитаемые подводные аппараты” (2000, издательство ”Дальнаука”).
Рисунок 1.2-А. "Crabster" Рисунок 1.3-Б робот типа "Галтель- Алеврит"
В настоящее время подводная робототехника стремительно развивается на основе новых компьютерных и информационных технологий, достижениями могут являться роботы на (Рис 1.2.А и Рис 1.3.Б) используемые в области океанических исследований. К числу наиболее актуальных сфер, применения современных подводных роботов можно отнести следующие:
· обзорно-поисковые работы, включая поиск и обследование затонувших объектов, инспекцию подводных сооружений и коммуникаций (трубопроводов, водоводов, кабелей);
· геологоразведочные работы, включающие топографическую и фото-видеосъемку морского дна, акустическое профилирование и картографирование рельефа;
· подлёдные работы, в том числе прокладка кабеля на арктическом дне, обслуживание систем наблюдения и освещения подледной обстановки;
· океанографические исследования, мониторинг водной среды;
· работы военного назначения, включающие, в частности, противолодочную разведку, патрулирование, обеспечение безопасности объектов военной техники, поиск и обезвреживание мин.
При создании глубоководных автономных подводных роботов стремление уменьшить массу и размеры приводит к росту числа индивидуальных разработок отдельных приборов и устройств. Связано это с тем, что серийная аппаратура зачастую не может быть применена в качестве комплектующих элементов автономного подводного аппарата из-за неприемлемых масс и габаритов. Кроме того, обычной является ситуация, когда необходимая серийная продукция вообще отсутствует, а комплектующие изделия доступны только в виде недостаточно совершенных и дорогостоящих экспериментальных образцов. Другая особенность подводных роботов связана с необходимостью выбора компромиссных решений между универсальностью и специализацией, причем во многих случаях грань, их разделяющая, достаточно размыта. Универсальность подводных роботов может быть реализована двумя различными подходами в зависимости от целей, которые при этом преследуются.
Современные подводные роботы способны выполнять довольно разнообразные обзорно-поисковые и обследование затонувших объектов и искусственных сооружений, геологоразведку и картографирование дна. Задача поиска и обследования решается обычно в несколько этапов, в сценарий которых включатся:
· организация навигационного обеспечения (систем гидроакустической и спутниковой навигации), подготовка систем судового комплекса;
· предварительный обзор района поиска путем крупномасштабной съемки дна с помощью гидролокаторов бокового обзора (ГБО) и нанесение целей для детального обследования;
· выход подводного аппарата на объект поиска (заданную цель) и выполнение обследовательских действий в ближней зоне с использованием фотоё телевизионных систем и высокоразрешающих акустических систем, решающих сканирующих гидролокаторов;
· общее освещение подводной обстановки в районе работ, обработка и документирование полученной информации.
Наиболее эффективно подводные роботы могут быть использованы для экологического мониторинга среды в придонных слоях, включая оценку гидрохимического состояния воды по параметрам, определяемым с помощью датчиков, и характеризующим состояние экосистемы: содержание кислорода, соленость, pH, температуру, электропроводность, мутность воды, концентрация хлорофилла. Параллельно для контроля и расширения круга исследуемых параметров специальными кассетными пробоотборниками берутся пробы воды и грунта и исследуются в лабораторных условиях. Для оценки качественного состояния и плотности поселения макробентоса проводится экспертный анализ биоты по фотографиям и видеосъемкам дна. Затем проводится анализ и картографирование полученных данных в
геоинформационной системе по всей акватории.
Развитие структуры и методов управления пространственным движением подводного робота относится к числу проблем, от решения которых зависят функциональные свойства подводных автономных аппаратов, т.е. их способность самостоятельно выполнять те или иные задачи. Наряду с обобщением “традиционных” задач и методов управления актуальными являются постановка и решение поведенческих задач, связанных с поиском и детальным обследованием (инспекцией) объектов в придонном пространстве, ориентированием в среде при осуществлении целенаправленных протяженных маршрутов, выполнением прецизионных измерений параметров физических полей.
Общая постановка проблемы приводит к необходимости построения многозадачной структуры системы управления движением, осуществляющей функции формирования программ заданий и планирования поведения, отображения информации о среде и векторе состояния, оценки ситуаций и организации пространственных траекторий для различных режимов управления.
В зависимости от характера и степени сложности задач, решаемых с помощью подводного робота, можно выделить следующий класс управлений и соответствующих им пространственных движений:
· формирование планомерной или корректируемой сети траекторий при поиске и обследовании областей, объектов и физических полей;
· выбор трассы в условиях сложного рельефа дна при целенаправленном поиске с выходом аппарата в заданный район;
· маневрирование в ограниченной области или позиционирование в точке при детальном обследовании объектов;
· пространственное движение с выработкой ориентиров по изменчивости измеряемых параметров среды.
· адаптивная коррекция параметров системы управления при изменении миссий аппарата и состояния среды.
Социальная значимость проекта. Регуляторы, обеспечивающие устойчивость и заданные показатели качества, имеют очевидное преимущество над регуляторами других типов. В них не происходит перестройки системы при небольших изменениях параметров и при этом система не теряет устойчивость. Благодаря этому существенно упрощаются процессы разработки, конструирования, установки и эксплуатации таких регуляторов, что значительно упрощает труд инженеров-разработчиков, а также других сотрудников, вовлеченных в процесс управления.
Благодаря тому, что регуляторы обеспечивают устойчивость систем, сфера применения таких регуляторов чрезвычайно широка. В данной работе произведено построение регулятора, обеспечивающего устойчивость и заданные показатели качества, а также исследованы его основные характеристики и свойства.