Статьи

Статья посвящена актуальной теме имитации качки катамарана и программному обеспечению, алгоритмам позволяющим реализовать эту имитацию. Актуальность вытекает из необходимости тестировать навигационные устройства и их алгоритмы, строить большие тренажёрные комплексы имитации объектов надводного, воздушного и наземного базирования. Данная статья будет сосредоточена на описании программного и алгоритмического обеспечения для создания имитатора качки катамарана, находящегося на поверхности воды, при воздействии на него ветроволновых воздействий. Имитационный стенд для воспроизведения качки катамарана включает в себя платформу Стюарта, датчики, микроконтроллеры и персональный компьютер оператора. Верхняя часть платформы перемещается подобно палубе катамарана, а нижняя часть жёстко закреплена. Результаты экспериментов учитываются датчиками, закреплёнными на подвижной части, и обрабатываются микроконтроллером-прототипом навигационной системы. Считается, что навигационная система должна получать данные об объекте качки и возвращать оператору вектор состояния, содержащий угол и скорость крена, угол и скорость дифферента, высоту и скорость вертикальной качки. Применяемые математические модели описывают динамику катамарана и системы управления, уменьшающую амплитуду качки, внешние возмущения морской волны, формируемые по спектру Пирсона-Московица. Для получения траекторий качки катамарана реализован алгоритм Рунге-Кутта 4-го порядка с фиксированным шагом, а для фильтрации и восстановления полного вектора состояний катамарана реализован фильтр Калмана по схеме с «с задержкой». Разработано программное обеспечение для воспроизведения крена катамарана на имитационном стенде, фильтрации и восстановления вектора состояния, графического отображения результатов эксперимента в виде графиков, сохранения результатов в файлах. Для лучшей интерпретации результатов входные параметры графического интерфейса и алгоритмов имеют простые наглядные параметры: скорость и направление ветра, начальное состояние катамарана и служебные, а результаты представляются в виде графиков. В статье представлено подробное описание взаимосвязи модулей программ, применяемых математических алгоритмов, указаны входные и выходные параметры. Результаты имитации показывают достаточное качество воспроизведения качки катамарана. Однако были выявлены незначительные погрешности, связанные с механическими ограничениями применённой кинематической модели.

Рассматривается проблема неопределенности поведения катамарана во время шторма. Основная опасность неопределенности состоит в величине крена, на который отклонится катамаран, т. к. это может привести к нежелательным последствиям с грузом или корпусом судна. Изучение этой неопределенности рассматривается с двух позиций: исследование управляющих воздействий при реализации наихудших вариантов волнения на этапе выбора системы управления и онлайн-прогнозирование пороговых величин крена. Применяется комплексная модель катамарана и внешних возмущений. Внешние возмущения получаются с помощью формирующего фильтра и линейной аппроксимации спектра Пирсона - Московица, сил и моментов. Исследование качества управления осуществляется путем расчета наиболее вероятных траекторий к заданным пороговым состояниям и последующего их сопоставления друг с другом. Этот расчет выполняется путем решения оптимизационной задачи типа Лагранжа - Понтрягина с функционалом действия в качестве критерия и комплексной модели катамарана и внешних возмущений в качестве уравнения связи. С применением методов теории больших уклонений получены оценки вероятностей движения к пороговым значениям вдоль наиболее вероятных траекторий. Использование этих оценок и сопоставление их с текущим состоянием катамарана позволило реализовать прогноз рисковых ситуаций. Приводятся примеры траекторий, приводящих к пороговым состояниям, для нескольких случаев ветра и курсовых углов судна, полученных при разных контурах управления. При этом видно, что в зависимости от управления возникают колебания, на которые необходимо обращать внимание при проектировании управления. Приводится пример оценки вероятности движения к пороговому состоянию во время качки катамарана. Применение профилей пороговых состояний позволяет не только получить полезную информацию при проектировании систем управления, но и улучшить безопасность мореходства.