Тема: Разработка базовой станции спутниковых дифференциальных поправок для автономной работы подвижной техники с системами автономного нивелирования

В настоящее время развитие промышленности и экономики передовых стран существенным образом зависит от уровня развития машиностроительной промышленности, которая является ведущей отраслью народного хозяйства. Именно машиностроение через непрерывное повышение качества производимых машин и оборудования определяет уровень научно-технического прогресса в других отраслях.
Одним из приоритетных направлений развития предприятий машиностроения связано с созданием беспилотных транспортных средств (БТС) (в первую очередь автомобилей).
Мировых лидеров в решении задачи разработки беспилотных транспортных средств можно выявить по уровню публикационной активности в данном направлении. Так, большинство технических предложений, касающихся разработки математического аппарата, алгоритмов управления движением, с разработкой программного обеспечения, конструированием новых типов датчиков и пр., отражены в патентных документах, принадлежащих корпорации Toyota (Япония), корпорациям Bosch (Германия), Denso (Япония), Hyundai (Южная Корея), FORD GLOBAL TECH LLC, GM (США) [1].
Задача разработки беспилотных машин актуальна и для предприятий тяжелого машиностроения, которые занимаются конструированием и производством беспилотных подьёмно-транспортных машин и дорожно-строительной техники.
Основными преимуществами беспилотных подьёмно-транспортных машин и дорожно-строительной техники являются:
- повышение безопасности работы, минимизация числа человеческих жертв (например, при работе машин на вредных производствах, в условиях пожаров, на зараженных территориях, в зонах боевых действий);
- повышение производительности техники (актуально при решении задач внутрицеховых, складских перевозок по стандартным маршрутам) и, соответственно, снижение затрат на выполнение работ.
Ближе всех к успеху в этом направлении Google, РобоСиВи, Cadillac, Volvo, BMW, Mercedes, Caterpillar и некоторые другие компании, которые выпускают не только легковые автомобили, но и сельскохозяйственную, дорожно-строительную, грузовую, а также погрузочную технику [2].
В России вопросами автоматизации движения тяжелой строительной техники занимаются специалисты отраслевого института ВНИИстройдормаш [3]. Разработанная и внедренная ими автоматическая система поворота ковша обеспечивает бульдозеру большую точность планировочных работ, а реализована она за счет установки реперных точек, задающих плоскость на местности под необходимым углом. Такая же система применяется и бульдозерами Caterpillar [4].
Наиболее сложной и наукоемкой частью этих машин является бортовая автоматическая система управления. Разнообразие конструкций беспилотных машин и их агрегатов предопределяет большое количество вариантов конструктивного выполнения систем управления и организации способов управления.
Однако общим у всех беспилотных машин является состав автоматической системы управления, сюда входят:
система технического зрения;
система управления движением машины;
система навигации и ориентации.
Система технического зрения отвечает за получение и обработку данных с датчиков; объединение и согласование полученных данных; обработку изображений; определение препятствий, дорожных условий и автомобилей, расстояния до них.
Ядром системы управления движением беспилотной машины, отвечающим за построение маршрута движения, экстренное принятие решений в зависимости от окружающей дорожной обстановки и формирование управляющих сигналов на исполнительные приводы является информационно- управляющая система. Исполнительные приводы в соответствии с управляющими сигналами обеспечивают управляющее воздействие на агрегаты и системы беспилотной машины, имитируя действия водителя. В зависимости от конструкции шасси машины система исполнительных приводов обеспечивает работу приводов управления тяговым двигателем (подачей топлива при применении ДВС), сцеплением, коробкой передач, рулевым механизмом, тормозной системой, стартером, световыми приборами и др. Программное обеспечение систем управления движением БТС, как правило, включает два уровня - нижний уровень, отвечающий за взаимодействие с датчиками и исполнительными устройствами, и верхний, отвечающий непосредственно за реализацию алгоритма управления движением БТС.
Система навигации и ориентации обеспечивает определение положения беспилотной машины на местности [1].
Современные системы навигации реализуются за счет использования спутниковой системы передачи данных, использование которых позволяет повысить качество управления как движением самой машины, так и движением ее навесного оборудования, повысить скорость движения техники, обеспечить возможность работы техники в тёмное время суток.
Крупнейшими производителями навигационного оборудования для сельского хозяйства являются: Leica (Швейцария), Raven (США), Hemisphere (Канада), Trimble (США), Teejet (США), Topcon (Япония) [4].
Задача внедрения в бортовую систему автоматического управления машиной современных систем навигации актуальна и для завода «ДСТ-Урал». Это современное предприятие по производству бульдозеров и спецтехники на базе гусеничных тракторов. Техника используется как крупными предприятиями добывающих отраслей России, так и небольшими частными компаниями, работающими в горнодобывающей сфере, дорожном строительстве, золотодобыче, коммунальном хозяйстве.
В настоящее время на предприятии выпускаются:
- гусеничные тракторы;
- бульдозеры 5 тяговых классов массой от 17 до 44 тонн;
- гусеничные и колесные погрузчики грузоподъемностью от 2 до 5 тонн;
- техника на базе промышленных тракторов (кабелеукладчики, мульчеры, траншеекопатели, базы для кранов и буровых установок).
С недавнего времени одной из устанавливаемых опций в машину является система нивелирования. Она отвечает за полностью автоматическое регулирование высоты и наклона навесного оборудования. Данная система анализирует показания датчиков, рассчитывает отклонения высоты и угла наклона от заданного значения и автоматически корректирует данные параметры.
Требуемая заказчиком точность выполнения планировочных работ (погрешность до 10 миллиметров) может обеспечена только при получении точной информации о собственных географических координатах машины в каждый момент времени. Это может быть реализовано только с использованием навигационного оборудования, которое получает координаты машины со спутников и с помощью так называемой базовой станции, выдает поправки к сигналам глобальных спутниковых систем по радиоканалу непосредственно в систему нивелирования.
Базовые станции представлены на рынке рядом фирм-производителей. Лидирующие позиции на рынке базовых станций занимают компании Leica (США), Topcon (Япония) и Trimble (США).
Однако в связи с особенностями текущей экономической и политической ситуации в мире, завод «ДСТ-Урал» взял курс на импортозамещение. Поэтому тема данной выпускной квалификационной работы – разработка базовой станции спутниковых дифференциальных поправок для автономной работы подвижной техники с системами автоматического нивелирования.
Цель выпускной квалификационной работы – разработка и реализация электронного устройства, предназначенного для получения и преобразования информации о спутниковых координатах машины для выдачи коррекционных поправок в составе системы автоматического нивелирования.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть принцип работы системы автоматического нивелирования и базовую станцию в структуре системы.
2. Выявить основные характеристики и принцип работы базовой станции.
3. Провести анализ рынка базовых станций. Разработать концепцию базовой станции ДСТ-Урал.
4. Составить техническое задание на разработку базовой станции.
5. Разработать аппаратно-программный комплекс.
6. Провести испытания базовой станции в составе системы автоматического нивелирования.

Купить

Система автоматического нивелирования состоит из базовой станции, ровера- приемника и датчиков углов наклона отвала и рамы. Базовая станция определяет спутниковые координаты своего местоположения и выдает корректирующие поправки роверу приемнику для высокоточного позиционирования отвала.
Рассмотрен принцип работы базовой станции: при неподвижной установке устройство может точно определить свои координаты и получить информацию со спутников (эфемериды). Полученные эфемериды с помощью специальных алгоритмов преобразуются в дифференциальные поправки, с помощью которых ровер-приемник вычислит свое местоположение даже в движении. Основные характеристики базовой станции: точность определения местоположения, методы передачи поправок, формат и типы передаваемых поправок в режиме RTK.
Анализ наиболее известных на рынке базовых станций Leica, Topcon и Trimble по пяти критериям показал, что ни одно из этих устройств не может быть рекомендовано для использования в составе системы автоматического нивелирования бульдозеров «ДСТ-Урал» в силу необходимости подключения к сети интернет, закрытого программного обеспечения и приоритетной политики импортозамещения.
Разработана структура базовой станции ДСТ-Урал: основной канал передачи поправок – УКВ, альтернативный – GSM. Настройка осуществляется через Blue¬tooth и пользовательское Android-приложение. Для связи со спутниками используется GNSS-приемник с антенной. Согласно функциональной схеме, принцип работы разрабатываемой базовой станции следующий: GNSS-приемник с помощью антенны получает информацию со спутников и передает ее на микроконтроллер, который, в свою очередь, передает обработанные данные по радиоканалу или через сим-карту на ровер-приемник. Bluetooth-модуль передает микроконтроллеру команды настройки и управления с Android-устройства.
На основе технических требований и совместимости компонентов осуществлен выбор элементов для схемы электрической принципиальной: микроконтроллер STM32F407VE, радиомодуль Harxon HX-DU2003D, импульсный стабилизатор MC33063AD для преобразования 24В в 12В и в 5В, линейный преобразователь LM1117IMPX-3.3, сим-модуль SIM900, Bluetooth-модуль HC-05, GNSS- приемник SynoGNSS K803, а также диоды, резисторы и конденсаторы, необходимые для работы данных компонентов. В прикладных пакетах DipTrace и SOLID¬WORKS составлена техническая документация для изготовления опытного образца базовой станции.
Разработан алгоритм обработки микрконтролером данных с модулей. Данный алгоритм реализован в среде Keil uVision на языке C. Выведены методы перевода GPS-координат в формате WGS84 в декартову систему с учетом кривизны земного шара: сферическая теорема косинусов, метод гаверсинусов, модификация метода гаверсинусов для точек-антиподов. Выполнено сравнение методов перевода координат, исходя из которого на небольшом расстоянии между координатами (до 100 метров) различия составляют менее одного миллиметра. Для минимизации погрешностей была выбрана модификация метода гаверсинусов для точек- антиподов. Описаны основные части кода для Android-приложения на языке Dart с помощью среды программирования Android Studio. Отображены основные элементы приложения с экрана устройства: координатная плоскость и собственное положение на ней, местоположение и количество спутников.
Во время проведения эксперимента было установлено, что базовая станция отправляет дифференциальные спутниковые поправки в установившемся режиме и погрешность скорректированной высоты ровера-приемника составляет 4 миллиметра. Система автоматического нивелирования принимает поправки от базовой станции на расстоянии 600 метров от нее и контролирует высоту подъема отвала и угол его крена в автоматическом режиме.

Купить