Физическая модель следящей системы для безударной передачи груза

УДК 681.587.2

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ БЕЗУДАРНОЙ

ПЕРЕДАЧИ ГРУЗА

А. В. Кипер, И. И. Давлюд, А. А. Бавула

PHYSICAL MODEL OF THE TRACKING SYSTEM FOR CARGO TRANSFER

WITHOUT IMPACT

A.V. Kiper, I. I. Davlyud, A. A. Bavula

Передача грузов в открытом море - одна из наиболее сложных, опасных и ответственных операций. Для повышения их безопасности необходима автоматизация процесса опускания груза. В таком режиме груз будет безопасно опущен на основание и коснется его с заданной минимальной скоростью, безударно. В статье представлена экспериментальная установка для исследования динамики погрузочных работ в ручном автоматическом режиме, а также для снятия необходимых показателей. Управление установкой производится контроллером Arduino Uno, выполненным на базе микроконтроллера ATmega328. Входными данными для следящей автоматизированной системы служат показания лазерного датчика измерения расстояния, а исполнительным устройством является асинхронный электродвигатель с редуктором. Управляется электродвигатель с помощью тиристор-ного драйвера управления. В статье рассмотрены основные компоненты экспериментальной установки и их характеристики, принцип работы каждого компонента и системы в целом. Также представлена математическая модель работы устройства, разработанная в среде визуального моделирования MATLAB-VisSim. Эффективность данной экспериментальной установки подтвердили многократные замеры силы удара в момент касания основания грузовой платформы: в автоматическом режиме сила удара груза при погрузке в 3 раза меньше, чем в ручном. В статье предложен вариант реализации автоматизированной системы, построенной на принципе работы экспериментальной установки, - автоматизированное устройство управления грузоподъемным краном с использованием штатных приводных электродвигателей. Рассмотренная в статье физическая модель следящей системы для безударной передачи груза может являться основой для построения автоматизированного крана, что особенно актуально при проведении погрузочных операций в сложных условиях.

безударная погрузка, груз, автоматизированная система, модель, установка, эксперимент, микроконтроллер, микропроцессорное устройство, датчик, двигатель, управление

The transfer of goods on the high seas is one of the most difficult, dangerous and responsible operations. To improve the safety of loading operations, it is necessary to automate the process of lowering the load. In this mode, the load will be safely lowered to the base and will touch it at a given minimum speed, without impact. The article pro-

poses an experimental setup for the study of the dynamics of loading operations in manual automatic mode, as well as the removal of the necessary indicators. The set is made by controller Arduino Uno based on ATmega328 microcontroller. The input data for the system are the readings of the laser distance measurement sensor, and the actuator is an asynchronous electric motor with a reducer. The motor is controlled by a thyristor control driver. The article describes the main components of the experimental setup and their characteristics, as well as the principle of operation of each component and the system as a whole. The mathematical model of the device operation developed in the environment of visual modeling MATLAB-VisSim is also presented. The effectiveness of this experimental setup has been confirmed by multiple measurements of the impact force at the time of touching the base of the cargo platform: in automatic mode, the impact force of the cargo during loading is 3 times less than in manual mode. Also, in the article offers a variant of realization of the automated system built on the principle of operation of the experimental installation - it is the automated control device of the load-lifting crane with the use of regular drive electric motors. The physical model of the tracking system for shock-free transfer of cargo considered in the article can serve the basis for the construction of an automated crane, which is especially important when carrying out loading operations in difficult conditions.

shockless loading, cargo, automated system, model, installation, experiment, microcontroller, microprocessor device, sensor, engine, control

При проведении погрузочно-разгрузочных работ с использованием грузоподъемных кранов (далее - кранов) существует вероятность повреждения груза. Самым опасным этапом при производстве данных работ является процесс опускания груза, при котором возможно повреждение дорогостоящего или опасного груза при неконтролируемом ударе о судовые конструкции вследствие различных возмущающих воздействий или ошибок персонала. При определенном стечении обстоятельств последствия удара способны привести к развитию серьезных аварийных ситуаций, что актуализирует задачу обеспечения безопасности грузовых операций.

Известны различные следящие устройства [1-3], конструктивно выполненные в виде следящих систем, стабилизирующих лебедок и прочих устройств, тем или иным способом повышающих безопасность грузовых операций. В ряде исследований установлено [4, 5], что более перспективным путем повышения безопасности и производительности грузовых операций является использование автоматических следящих систем, обеспечивающих управление движением груза на конечном этапе по заданным траектории или алгоритму.

Для разработки такой системы потребовалось создание математической модели, реализованной в среде визуального моделирования MATLAB-VisSim (рис. 1).

Рис. 1. Математическая модель следящей системы в среде визуального моделирования MATLAB-VisSim Fig. 1. Mathematical model of the tracking system in the visual modeling environment

MATLAB-VisSim

Для определения адекватности математической модели реальной следящей системе была разработана соответствующая физическая модель. В основу ее создания положены критерии, обеспечивающие подобие этой модели реальному грузоподъемному средству. Главные критерии подобия определены на основании математической модели методом интегральных аналогов. Они позволили рассчитать масштабные коэффициенты, определяющие параметры физической модели и условия моделирования [3].

Физическая модель (рис. 2) для безударной передачи груза 1 состоит из стрелы 2, грузовой лебедки 3, грузовой платформы 4 и системы управления 5. В свою очередь, система управления (рис. 3) содержит микроконтроллер (Arduino UNO) 1, цифровой лазерный датчик расстояния 2, измеряющий расстояние до поверхности основания расположенного на грузовой платформе асинхронного двигателя 3, платы управления двигателем 4 и джойстиком 5 для ручного управления. Работа установки состоит из двух этапов и заключается в следующем: на первом этапе груз опускается с заданной высоты с максимально возможной скоростью, которая является постоянной. Датчик непрерывно измеряет расстояние до поверхности и передает данные в микроконтроллер. Второй этап начинается при достижении грузом установленной высоты (например, 5 см), при этом скорость начинает замедляться пропорционально расстоянию до поверхности основания, чем оно меньше - тем меньше скорость, и к моменту посадки она становится минимальной, чем и обеспечивается безударная погрузка.

Контроллер Arduino Uno выполнен на базе микроконтроллера ATmega328 с тактовой частотой 16 МГц, содержащего 32 кБ флэш-памяти для хранения кода программы, 2 кБ памяти ОЗУ для хранения данных программы и 1 кБ EEPROM (энергонезависимая память). Модуль суммарно имеет 14 цифровых и 6 аналоговых вводов/выводов. Логика работы программы для работы установки записана в микроконтроллер с помощью ЭВМ на языке С++ в энергонезависимую память.

б) в)

Рис. 2. Физическая модель для безударной передачи груза:

а - схема; б - функциональная схема; в - внешний вид; 1 - груз; 2 - стрела крана; 3 - грузовая лебедка; 4 - грузовая платформа; 5 - система управления; Д - датчик измерения расстояния; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; МК - микроконтроллер; СБУ - силовой блок управления; Д - асинхронный двигатель; АК - акселерометр; ПК - персональный компьютер Fig. 2. Physical model for shock-free transfer of cargo: а - scheme; б - functional scheme; в - appearance;1 - cargo;2 - crane arm; 3 - cargo

winch; 4 - load platform; 5 - control system; Д - distance measuring sensor; АЦП - analogue-digital converter; МК - microcontroller; СБУ - power control box; Д - induction motor; АК - accelerometer; ПК - personal computer

Рис. 3. Схема соединения модулей экспериментальной установки: 1 - контроллер Arduino Uno; 2 - лазерный датчик GY-530; 3 - асинхронный

двигатель; 4 - плата управления двигателем; 5 - модуль джойстика Fig. 3. Connection diagram of the experimental setup modules: 1 - Arduino Uno controller; 2 - laser sensor GY-530; 3 - induction motor; 4 - motor control card;

5 - joystick module

В качестве датчика измерения расстояния применен лазерный датчик GY-530 на чипе VL53L0X. Датчик представляет из себя поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) с рабочей длиной волны 940 нм и фоточувствительной матрицей на основе однофотонных лавинных диодов ^РАО). Его работа не зависит от отражающей способности поверхности, стабильна при повышенных уровнях внешнего инфракрасного излучения.

Исполнительным устройством в экспериментальной установке служит асинхронный двигатель мощностью 10Вт с редуктором, скорость вращения выходного вала которого до 300 об/мин, крутящий момент 0, 5-7 Н*м.

Для ручного управления двигателем используется джойстик. Он позволяет реализовать двухкоординатное управление с элементом управления по третьей координате. Джойстик имеет простое техническое решение - оператор поворачивает одновременно движки двух переменных резисторов, смещая ручку управления одним движением. Это позволяет электронике отслеживать ее отклонение в любом направлении на любую величину.

Эффективность автоматизированного способа опускания груза на конечном участке подтвердили замеры силы удара в момент касания основания грузовой платформой. Эксперимент проводился с помощью данной экспериментальной установки. На платформе с грузом установлен модуль трехосевого гироскопа и акселерометра GY-521 на микросхеме МРи-6050. Для обработки информации он был подключен к микроконтроллеру. Показания акселерометра выводились через последовательный порт на компьютер.

Так, в ходе проведения серии опытов с ручным (с помощью джойстика) и автоматическим опусканием платформы с грузом были получены следующие результаты в виде графиков (рис. 4). На их основании можно сделать вывод, что сила удара при автоматическом опускании груза более чем в 3 раза меньше, чем при ручном.

а) б)

Рис. 4. Показания акселерометра GY-521 в момент посадки платформы с грузом на основание: а - при ручном опускании; б - при автоматическом опускании Fig. 4. GY-521 accelerometer readings at the time of landing of the platform with a load on the ground: а - when manually lowering; б - with automatic lowering

Одним из вариантов реализации автоматизированной системы управления краном является система с использованием штатных приводных электродвигате-

лей (асинхронных с короткозамкнутым ротором) и управлением их данной установкой. Передачи управляющих сигналов от установки на приводные электродвигатели осуществляется, например, с использованием тиристорных (симисторных) регуляторов.

Таким образом, рассмотренная экспериментальная установка может быть использована в качестве основы при создании автоматизированного крана для безударной погрузки груза, что особенно актуально для опасного (разрядного) груза. При этом данный кран не требует размещения дополнительного оборудования (устройств) на принимающей поверхности, а это значительно снижает стоимость оборудования, число механизмов и повышает эффективность работы [6]. Конструкция такого крана может найти применение на судах снабжения, спасательных или исследовательских [7].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бачище, А. В. Передача грузов в море / А. В. Бачище, Н. И. Махорин. -Мурманск: Кн. изд-во, 1991. - 104 с.

2. Горшков, И. А. Передача грузов в море: справочник / И. А. Горшков, Н. И. Махорин. - Ленинград: Судостроение, 1977. - 256 с.

3. Кипер, А. В. Математическое моделирование автоматических устройств для передачи боеприпасов между кораблями в море: моногр. / А. В. Кипер. -Калининград: Изд-во БВМИ, 1999. - 129 с.

4. Романенко, Н. Г. Разработка алгоритма и модели системы управления электроприводом крана буровой платформы / Н. Г. Романенко, С. В. Ткаль // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 51-55

5. Обоснование конструктивного решения системы стабилизации груза крана КЭГ20031С / А. А. Арутюнян [и др.] // Морской вестник. - 2010. - № 1 (33). -С. 33-38.

6. Георгиев, А. А. Пути повышения качества грузообработки в открытом море путем оснащения судов кранами перспективных конструкций / А. А. Георгиев, И. Н. Васильев // Морской вестник. - 2014. - № 4 (52). - С. 41-44.

7. Иванова, М. А. Многофункциональный судовой кран / М. А. Иванова // Морской вестник. - 2007. - № 3 (23). - С. 62-65.

REFERENCES

1. Bachishche A. V., Mahorin N. I. Peredacha gruzov v more [Transfer of goods at sea]. Murmansk, Kn. izd-vo, 1991, 104 p.

2. Gorshkov I. A., Mahorin N. I. Peredacha gruzov v more: spravochnik [Transfer of goods at sea: reference book]. Leningrad, Sudostroenie, 1977, 256 p.

3. Kiper A.V. Matematicheskoe modelirovanie avtomaticheskikh ustroystv dlya peredachi boepripasov mezhdu korablyami v more [Mathematical modeling of automatic devices for ammunition transfer between ships at sea]. Kaliningrad, Izd-vo BVMI, 1999, 129 p.

4. Romanenko N. G., Tkal' S. V. Razrabotka algoritma i modeli sistemy uprav-leniya elektroprivodom krana burovoy platformy [Development of an algorithm and

control system model for electric drive of a drilling platform crane]. Vestnik AGTU, 2011, no. 1, pp. 51-55.

5. Arutyunyan A. A., Suslov D. V., Zaviruho V. D., Georgiev A. A. Obosno-vanie konstruktivnogo resheniya sistemy stabilizatsii gruza krana KEHG20031S [Justification of the design solution of the crane cargo stabilization system KEHG20031S]. Morskoy vestnik., 2010, no. 1 (33), pp. 33-38.

6. Georgiev A. A., Vasil'ev I. N. Puti povysheniya kachestva gruzoobrabotki v otkrytom more putyom osnashcheniya sudov kranami perspektivnykh konstruktsiy [Ways to improve the quality of cargo handling on the high seas by equipping vessels with cranes of advanced designs]. Morskoy vestnik, 2014, no. 4 (52), pp. 41-44.

7. Ivanova M. A. Mnogofunktsional'nyy sudovoy kran [Multi-function ship crane]. Morskoy vestnik, 2007, no. 3 (23), pp. 62-65.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кипер Александр Викторович - филиал ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия» (Калининград); доктор технических наук, профессор; E-mail: sawefew2@yandex.ru

Kiper Aleksandr Viktorovich - Branch of the Military Educational and Scientific Center NAVY «Naval Academy» (Kaliningrad); Doctor of Technical Sciences, Professor;

E-mail: sawefew2@yandex.ru

Давлюд Игорь Игоревич - филиал ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия» (Калининград); адъюнкт; E-mail: sawefew2@yandex.ru

DavlyudIgor Igorevich - Branch of the Military Educational and Scientific Center NAVY «Naval Academy» (Kaliningrad); Postgraduate; E-mail: sawefew2@yandex.ru

Бавула Андрей Александрович - филиал ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия» (Калининград); кандидат военных наук, начальник отдела организации научной

работы; E-mail: sawefew2@yandex.ru

Bavula Andrey Aleksandrovich - Branch of the Military Educational and Scientific Center NAVY «Naval Academy» (Kaliningrad); PhD of Military Sciences, Head of the Department of scientific work organization; E-mail: sawefew2@yandex.ru