ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО МАГНИТНОГО КОМПАСА ДЛЯ МАЛОТОННАЖНЫХ МОРСКИХ СУДОВ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 2
Положения, выносимые на защиту 5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
Список литературы 25
Положения, выносимые на защиту 5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
Список литературы 25
Актуальность темы и степень разработанности проблемы исследования
Компасные системы (КС) играют важную роль для определения направления движения морских судов. По показаниям КС оператор определяет траекторию движения, формирует координатную информацию для системы автоматического рулевого управления, определяет оптимальный маршрут корабля.
В настоящее время большинство малотоннажных судов, особенно морских рыболовных судов и внутренних судов Вьетнама, снабжены только традиционными магнитными компасами и не имеют современных гирокомпасов, которые обладают слишком высокой стоимостью. При этом существенным недостатком обычных магнитных компасов является невозможность их сопряжения с другими электронными системами судов.
В настоящее время ряд фирм производит сложные цифровые магнитные компасные системы (ЦМКС) для больших морских судов. Однако стоимость таких систем, расходы на их эксплуатацию, обслуживание и ремонт являются значительными. Кроме того, фирмы-производители не раскрывают технологии производства таких систем. Это затрудняет их внедрение в практику небольших рыболовных судов.
Таким образом, существует актуальная задача разработки и исследования недорогих, компактных, простых по конструкции и технологии производства ЦМКС с возможностью их комплексирования с другими электронными системами морских рыболовных судах. Разрабатываемый ЦМК должен обеспечивать повышенную точность определения азимута курса корабля, сравнимую с точностью серийных гирокомпасов, соответствовать требованиям стандартов на морскую аппаратуру. Особые требования предъявляются к повышению эксплуатационных характеристик и адаптации ЦМК для применения на небольших морских рыболовных судах.
Целью данной работы является разработка и исследование ЦМКС для малотоннажных морских судов на базе цифрового магнитного компаса (ЦМК), СВЧ приемного модуля позиционирования на основе использования сигналов ГНСС, приборов отображения азимута, применения методов цифровой фильтрации выходного сигнала для повышения точности разрабатываемой ЦМКС.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить обзор теоретических вопросов, связанных с обоснованием, проектированием и изготовлением ЦМКС.
2. Исследовать и применить технологию цифровой фильтрации зашумленной информации на основе применения методов фильтра Калмана и интервальных оценок для повышения точности выходных показаний ЦМКС.
3. Разработать алгоритмы и программное обеспечение (ПО) для устройств входящих в состав ЦМКС.
4. Разработать и изготовить опытный образец ЦМКС. Провести экспериментальные исследования основных выходных характеристик и точности определения азимута разработанной ЦМКС на борту рыболовных судов в реальных морских условиях эксплуатации.
Объект исследования - цифровая магнитная компасная система.
Предмет исследования - структурная схема, алгоритмы и ПО управления и фильтрации координатной информации, методики испытаний и рекомендации для практического использования.
Новизна результатов и положений заключается в следующем.
1. Впервые предложен, реализован и исследован морской компас для малотоннажных морских судов, выполненный на основе комплексирования датчика магнитного поля Земли и модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС.
2. В программе совместной обработки сигналов датчика магнитного поля Земли и модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС в ЦМК для малотоннажных морских судов впервые использованы современные математические методы цифровой фильтрации зашумленной выходной информации ЦМК на основе применения фильтра Калмана в сочетании с методом интервальной фильтрации.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования:
1. Разработаны теоретические основы обработки информации в ЦМКС, выполненном на базе датчика магнитного поля, модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС и применения методов фильтра Калмана и интервальной фильтрации.
2. Разработан простой, надежной и экономически выгодной ЦМКС для широкого использования на малотоннажных морских судах. Предлагаемый ЦМКС может использоваться в качестве резервной компасной системы в случае выхода из строя основной компасной системы на больших судах.
3. Испытания на вьетнамских судах показали перспективность широкого применения созданного ЦМКС также на внутреннем судоходстве страны.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Совместное использование датчика магнитного поля и модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС в сочетании с разработанными программными средствами значительно повысило точность выходных показаний ЦМКС для малотоннажных морских судов, которая стала сопоставимой с погрешностью стандартных морских гирокомпасов для больших морских судов в пределах 0.1-1.1 градуса.
2. Методы цифровой калмановской фильтрации помех, интервальных оценок и регрессионного анализа используемые в программном обеспечении обработки сигналов датчика магнитного поля и модуля спутникового позиционирования обеспечивают повышение точности и устойчивости показаний предложенного ЦМКС для малотоннажных морских судов.
3. Алгоритмы обработки сигналов датчика магнитного поля, модуля спутникового позиционирования, алгоритмы управления устройствами и блоками, входящими в состав ЦМКС, заложенные в программное обеспечение функционирования ЦМКС обеспечивают высокий уровень автоматизации и надежность процесса получения координатных данных, удобство эксплуатации для малотоннажных морских судов...
Компасные системы (КС) играют важную роль для определения направления движения морских судов. По показаниям КС оператор определяет траекторию движения, формирует координатную информацию для системы автоматического рулевого управления, определяет оптимальный маршрут корабля.
В настоящее время большинство малотоннажных судов, особенно морских рыболовных судов и внутренних судов Вьетнама, снабжены только традиционными магнитными компасами и не имеют современных гирокомпасов, которые обладают слишком высокой стоимостью. При этом существенным недостатком обычных магнитных компасов является невозможность их сопряжения с другими электронными системами судов.
В настоящее время ряд фирм производит сложные цифровые магнитные компасные системы (ЦМКС) для больших морских судов. Однако стоимость таких систем, расходы на их эксплуатацию, обслуживание и ремонт являются значительными. Кроме того, фирмы-производители не раскрывают технологии производства таких систем. Это затрудняет их внедрение в практику небольших рыболовных судов.
Таким образом, существует актуальная задача разработки и исследования недорогих, компактных, простых по конструкции и технологии производства ЦМКС с возможностью их комплексирования с другими электронными системами морских рыболовных судах. Разрабатываемый ЦМК должен обеспечивать повышенную точность определения азимута курса корабля, сравнимую с точностью серийных гирокомпасов, соответствовать требованиям стандартов на морскую аппаратуру. Особые требования предъявляются к повышению эксплуатационных характеристик и адаптации ЦМК для применения на небольших морских рыболовных судах.
Целью данной работы является разработка и исследование ЦМКС для малотоннажных морских судов на базе цифрового магнитного компаса (ЦМК), СВЧ приемного модуля позиционирования на основе использования сигналов ГНСС, приборов отображения азимута, применения методов цифровой фильтрации выходного сигнала для повышения точности разрабатываемой ЦМКС.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить обзор теоретических вопросов, связанных с обоснованием, проектированием и изготовлением ЦМКС.
2. Исследовать и применить технологию цифровой фильтрации зашумленной информации на основе применения методов фильтра Калмана и интервальных оценок для повышения точности выходных показаний ЦМКС.
3. Разработать алгоритмы и программное обеспечение (ПО) для устройств входящих в состав ЦМКС.
4. Разработать и изготовить опытный образец ЦМКС. Провести экспериментальные исследования основных выходных характеристик и точности определения азимута разработанной ЦМКС на борту рыболовных судов в реальных морских условиях эксплуатации.
Объект исследования - цифровая магнитная компасная система.
Предмет исследования - структурная схема, алгоритмы и ПО управления и фильтрации координатной информации, методики испытаний и рекомендации для практического использования.
Новизна результатов и положений заключается в следующем.
1. Впервые предложен, реализован и исследован морской компас для малотоннажных морских судов, выполненный на основе комплексирования датчика магнитного поля Земли и модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС.
2. В программе совместной обработки сигналов датчика магнитного поля Земли и модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС в ЦМК для малотоннажных морских судов впервые использованы современные математические методы цифровой фильтрации зашумленной выходной информации ЦМК на основе применения фильтра Калмана в сочетании с методом интервальной фильтрации.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования:
1. Разработаны теоретические основы обработки информации в ЦМКС, выполненном на базе датчика магнитного поля, модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС и применения методов фильтра Калмана и интервальной фильтрации.
2. Разработан простой, надежной и экономически выгодной ЦМКС для широкого использования на малотоннажных морских судах. Предлагаемый ЦМКС может использоваться в качестве резервной компасной системы в случае выхода из строя основной компасной системы на больших судах.
3. Испытания на вьетнамских судах показали перспективность широкого применения созданного ЦМКС также на внутреннем судоходстве страны.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Совместное использование датчика магнитного поля и модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС в сочетании с разработанными программными средствами значительно повысило точность выходных показаний ЦМКС для малотоннажных морских судов, которая стала сопоставимой с погрешностью стандартных морских гирокомпасов для больших морских судов в пределах 0.1-1.1 градуса.
2. Методы цифровой калмановской фильтрации помех, интервальных оценок и регрессионного анализа используемые в программном обеспечении обработки сигналов датчика магнитного поля и модуля спутникового позиционирования обеспечивают повышение точности и устойчивости показаний предложенного ЦМКС для малотоннажных морских судов.
3. Алгоритмы обработки сигналов датчика магнитного поля, модуля спутникового позиционирования, алгоритмы управления устройствами и блоками, входящими в состав ЦМКС, заложенные в программное обеспечение функционирования ЦМКС обеспечивают высокий уровень автоматизации и надежность процесса получения координатных данных, удобство эксплуатации для малотоннажных морских судов...
В Заключении обобщаются основные результаты научных исследований, разработки, изготовления и практических испытаний ЦМКС. Из этих результатов следует, что поставленная цель работы достигнута, а именно: выполнены разработка и исследование цифровой магнитной компасной системы для оснащения малотоннажных морских судов. Более подробно достигнутые при этом научные, технические и иные результаты состоят в следующем.
1. Разработана структура предлагаемой ЦМКС отвечающая требованиям стандартам ИМО для компасных систем морских судов на основе совместного применения датчика магнитного поля НМС5883Б и модуля спутникового позиционирования на основе сигналов ГНСС ИЕО-7М и микроконтроллер АТМБСА128.
2. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение реализации цифрового фильтра Калмана, интервального и регрессионного подходов для фильтрации зашумленных показаний корабельного цифрового компаса. Результаты расчетов и практических испытаний ЦМКС показывают, что применение указанных математических методов позволяет снизить погрешность определения азимута до значений сопоставимых с погрешностью показаний стандартных морских гирокомпасов.
3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для работы устройств входящих в состав ЦМКС и обеспечивающих выполнение требований морского регламента. В структуре ЦМК имеются все компоненты, отвечающие стандартам компаса: блок датчика (датчик HMC5883L и модуль NEO-7M), блок-центр обработки, блок питания, блок передачи данных NMEA0183. Электрическая схема ЦМК, спроектированная по соответствующим стандартам, обеспечивает возможность длительной эксплуатации системы на море. Цифровое устройство отображения ЦМКС изготовлено из основных компонентов, таких как микроконтроллер ATMEGA16, восемь семисегментных светодиодов, предназначенных для отображения азимута и скорости вращения судов, микросхема MAX485 для приема сигналов NMEA0183 от ЦМК. Изготовленное цифровое устройство отображения отличается надежностью, устойчивостью работы, удобством установки и наблюдения. Репитер гирокомпаса изготовлен из основных компонентов, таких как микроконтроллер ATMEGA8, шаговый двигатель, вращающаяся игла и т. д. Информация поступает в формате NMEA 0183 по каналу связи RS-485. Изготовленный репитер гирокомпаса характеризуется достаточно простой структурой, высокой надежностью и стойкостью от воздействия морских погодных условий.
4. Результаты испытаний ЦМКС, проведенных на вьетнамских судах, показывают, что при совместном использовании датчика магнитного поля и датчика позиционирования на основе ГНСС в сочетании с разработанными методами цифровой фильтрации помех, возникающих в условиях эксплуатации, точность выходных показаний ЦМКС значительно повышается и становится сопоставимой с погрешностью морских гирокомпасов судов в пределах 0.1-1.1 градуса. По материалам работы подана заявка на патент РФ на изобретение № 008665 от 06.02.2020г.
5. Перспективы развития результатов диссертационной работы заключаются в поисках новых решений по снижению шума с целью дальнейшего повышения точности разработанного ЦМК и возможности его применения на более крупных морских судах; а также разработка технических решений по передаче данных от ЦМКС до ГНСС для обеспечения функций удаленного управления и мониторинга параметров движения морских судов.
1. Разработана структура предлагаемой ЦМКС отвечающая требованиям стандартам ИМО для компасных систем морских судов на основе совместного применения датчика магнитного поля НМС5883Б и модуля спутникового позиционирования на основе сигналов ГНСС ИЕО-7М и микроконтроллер АТМБСА128.
2. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение реализации цифрового фильтра Калмана, интервального и регрессионного подходов для фильтрации зашумленных показаний корабельного цифрового компаса. Результаты расчетов и практических испытаний ЦМКС показывают, что применение указанных математических методов позволяет снизить погрешность определения азимута до значений сопоставимых с погрешностью показаний стандартных морских гирокомпасов.
3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для работы устройств входящих в состав ЦМКС и обеспечивающих выполнение требований морского регламента. В структуре ЦМК имеются все компоненты, отвечающие стандартам компаса: блок датчика (датчик HMC5883L и модуль NEO-7M), блок-центр обработки, блок питания, блок передачи данных NMEA0183. Электрическая схема ЦМК, спроектированная по соответствующим стандартам, обеспечивает возможность длительной эксплуатации системы на море. Цифровое устройство отображения ЦМКС изготовлено из основных компонентов, таких как микроконтроллер ATMEGA16, восемь семисегментных светодиодов, предназначенных для отображения азимута и скорости вращения судов, микросхема MAX485 для приема сигналов NMEA0183 от ЦМК. Изготовленное цифровое устройство отображения отличается надежностью, устойчивостью работы, удобством установки и наблюдения. Репитер гирокомпаса изготовлен из основных компонентов, таких как микроконтроллер ATMEGA8, шаговый двигатель, вращающаяся игла и т. д. Информация поступает в формате NMEA 0183 по каналу связи RS-485. Изготовленный репитер гирокомпаса характеризуется достаточно простой структурой, высокой надежностью и стойкостью от воздействия морских погодных условий.
4. Результаты испытаний ЦМКС, проведенных на вьетнамских судах, показывают, что при совместном использовании датчика магнитного поля и датчика позиционирования на основе ГНСС в сочетании с разработанными методами цифровой фильтрации помех, возникающих в условиях эксплуатации, точность выходных показаний ЦМКС значительно повышается и становится сопоставимой с погрешностью морских гирокомпасов судов в пределах 0.1-1.1 градуса. По материалам работы подана заявка на патент РФ на изобретение № 008665 от 06.02.2020г.
5. Перспективы развития результатов диссертационной работы заключаются в поисках новых решений по снижению шума с целью дальнейшего повышения точности разработанного ЦМК и возможности его применения на более крупных морских судах; а также разработка технических решений по передаче данных от ЦМКС до ГНСС для обеспечения функций удаленного управления и мониторинга параметров движения морских судов.
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО МАГНИТНОГО КОМПАСА ДЛЯ МАЛОТОННАЖНЫХ МОРСКИХ СУДОВ
