Системы позиционирования ПА (подводных аппаратов)
Введение
Мировой океан является богатейшим и наименее исследованным источником природных ресурсов. Именно поэтому исследования в области разработки подводных аппаратов различного назначения приобрели в течение последних тридцати лет не меньшее значение, чем освоение околоземного космического пространства.
Современные подводные аппараты можно разделить на три основные группы:
1) аппараты глубокого погружения управляются оператором, находя щимся на борту;
2) аппараты удаленного управления управляются оператором дистанционно, как правило, с борта судна обеспечения; управляющие сигналы поступают через кабель или оптоволокно;
3) автономные подводные аппараты – подводные роботы для автономного выполнения миссии.
Преимущества использования подводных аппаратов для различных научных, военных и коммерческих целей, таких как исследование океана, поиск снарядов, инспекция подводных труб и кабелей, неоспоримы. Среди основных систем ПА наиболее ключевую роль играют:
– система питания;
– система управления двигателями;
– система позиционирования;
– система целеуказания.
Система позиционирования служит для определения местоположения подводного аппарата относительно глобальной или относительной систем координат.
Системы динамического позиционирования предназначены для надежного непрерывного удержания подводного аппарата относительно заданной опорной точки по координатам x, у и курсовому углу.
1. Основные понятия позиционирования подводных аппаратов
Системы подводного позиционирования могут применяться для задач укладки подкидных трубопроводов, их обследования, засыпки траншей и т. п., причем не только для подводного, но и для надводного определения местоположения.
В последнем случае их информация используется в системах динамического позиционирования, которые должны удерживать судно на месте при меняющихся внешних условиях, эта же информация оказывается необходимой и при обследованиях подводного трубопровода обитаемым или необитаемым подводным аппаратом, позволяя следить за кривизной пролегающего по дну трубопровода.
Навигационные задачи, решаемые с помощью систем подводного позиционирования, существенно шире задач, подпадающих в практике подпонятие «навигация», включая в себя:
а) сопровождение: например, сопровождение ПА судном-базой вдоль трубопровода или вокруг платформы;
б) позиционирование: например, установку водолазного колокола в заданном месте по отношению к рабочей зоне для сварочных или ремонтных работ;
в) измерение: например, точное обследование морского дна и измерение расстояний между копнами горизонтального участка трубопровода и стояка.
В то время, как надводные корабли и гидрографические суда используют для навигации географическую систему отсчета координат (т. е. широту и долготу), под водой требовании несколько иные. Для того чтобы система могла использоваться и под водой, она должна иметь высокую степень позиционной точности и хорошую повторяемость в районе с пределами в несколько километров. Процесс динамического позиционирования с его приборным обеспечением характерен для эксплуатации подводных аппаратов технологического назначения.
При позиционировании решается задача по удержанию на заданной прямолинейной или криволинейной траекториях или по удержанию аппарата в непосредственной близости от объекта работы с целью создания нормальных условий для работы манипуляторов.
Это могут быть систематические галсы с привязкой научных измерений к географическим координатам на больших площадях или измерений, связанных с мониторингом, огибание препятствий на пути движения, выполнение различных технологических операций.
Подобные задачи решаются аппаратами-роботами, научными (измерение параметров окружающей среды), инспекционными (контроль состояния донного оборудования – подводных трубопроводов, кабельных трасс, превенторов на устье скважин, плотин и других гидротехнических сооружений), рабочими (строительно-монтажные работы, ремонтные и регламентные работы и прочее).
Система позиционирования работает совместно с навигационной системой-поставщиком информации о кинематических параметрах движения и о положении аппарата и комплектуется такими техническими средствами, которые позволяют:
-контролировать траекторию, отстояние аппарата от морского дна или препятствий,
-регулировать и поддерживать скорость, курсовой угол и другие параметры движения,
-учитывать стратификацию параметров воды и изменение плавучести аппарата,
-анализировать данные измерений и формировать команды исполнительным органам,
-удерживать аппарат на некотором заданном или безопасном отстоянии от объекта работы,
-обеспечивать условия для безаварийной работы манипуляторных устройств,
-обеспечивать подход аппарата к объекту работы и швартовку с безударным контактом.
Система позиционирования выполняет следующие функции:
-периодического или непрерывного измерения расстояний, направлений, кинематических и динамических параметров собственно аппарата и внешних сил, действующих на аппарат,
-анализа информации и выработки управляющей команды исполнительным органам, подчиненных математической модели состояния и поведения аппарата и определенным критериям принятия решений, -исполнения команды движительно-рулевым комплексом
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
.
Для наблюдений и измерений в информационной подсистеме системы позиционирования используются такие технические средства как видеокамеры, гидролокаторы, эхолоты, гирокурсоуказатели, Доплер-лаги и другие.
Позиционирование представляет быстропротекающий динамический процесс, поэтому система позиционирования является или автоматической, или автоматизированной системой. В большинстве случаев ручные и полуавтоматические режимы не используются, так как реакции оператора и точности позиционирования на каждом шаге операторских действий бывает недостаточно.
С другой стороны, и технические средства, задействованные в системе, имеют инерционность из-за запаздываний сигналов, включений-выключений и смены режимов работы исполнительных органов, неполной адекватности математической модели и натуры. Таким образом, позиционирование представляет процесс последовательных приближений к цели при исполнении команд. Но автоматизация эффективнее решает эту
задачу. Отрицательные эффекты и неизбежные издержки снижаются при тщательной отработке головных образцов оборудования, использовании при проектировании эксперимента и при учете опыта эксплуатации.
Позиционирование - это процесс управления по замкнутому циклу с обратной связью. Принцип работы системы сводится к определению состояния объекта, анализу и принятию решения по формированию управляющей команды и реализации этой команды и регистрации отклика объекта на нее. Это и позволяет в последовательных приближениях привести аппарат к заданному положению или состоянию.
В структурной схеме системы позиционирования выделяются:
-исполнительный тракт или система движителей, рулей и балластно осушительных средств;
-информационно-измерительный тракт, состоящий из датчиков, устройств первичной обработки информации о положении и движении аппарата, о состоянии его оборудования и о внешних связях и параметрах внешней среды;
-анализирующий блок, ведущий обработку информации и контролирующий параметры аппарата и среды, а также формирующий команду. Одной из важных задач блока является оптимизация процесса позиционирования, сокращающая энергозатраты, число и время маневров.
Поскольку режим работы движителей для рабочих аппаратов-роботов приближается к швартовному, тягу при заданных оборотах можно принять постоянной. Оптимизация процесса базируется на выборе момента времени и величины отклика системы на внешнее воздействие на объект. Здесь используется принцип разумного опережения.
Этапами подхода являются – разгон, установившееся движение и торможение. Возможен вариант, когда установившееся движение исключается. Обычно используется активное торможение посредством движителей. Выбор времени разгона, установившегося движения и торможения регулируется определяется диаграммой позиционирования.
2. Системы позиционирования ПА
Одной из главных и трудоемких задач подводной робототехники является точное и надежное позиционирование аппарата под водой, т. е. автономное определение положения, глубины погружения и курса в системе локальных или глобальных координат. Существующие методы решения задачи позиционирования делятся на следующие группы.
GPS-навигация. Вследствие того, что радиоволновое излучение проникает в воду на глубину нескольких длин волн (25–80 см), для определения местоположения аппарату следует всплыть на поверхность, принимать радиосигналы с GPS спутников и вычислить текущие координаты.
Системы относительного позиционирования. Включают устройство определения текущей скорости, например Доплеровский лаг, и инерциальную систему, позволяющую определить угол наклона аппарата относительно продольной, вертикальной и поперечной осей. При перемещении ПР информационно-измерительный комплекс собирает данные и вычисляет текущее положение. Очевидно, что при длительной миссии ошибка определения положения будет неограниченно нарастать, и с некоторого момента измерения становятся бессмысленными. Поэтому данная методика, как правило, применяется в комбинации с GPS-навигацией. Точность современных инерционных систем составляет порядка 1% пройденного расстояния ПР.
Картографический метод. Используется при наличии детальной цифровой карты области морского дна, на которой будет выполнять миссию ПР. В этом случае цифровая карта копируется в память навигационной системы ПР и при выполнении миссии привязка к конкретному положению осуществляется посредством автоматического анализа визуальной информации. В качестве визуальной информации может выступать как изображение с обычной оптической камеры, так и изображения, полученные гидролокатором
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
