ФИЗИЧЕСКАЯ ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СУДНА

Полезная модель относится к области определения характеристик водных транспортных средств и может быть использована для моделирования поведения судов в зависимости от сигналов управления двигательно-движительным комплексом.
Известна установка для буксировочных испытаний модели судна в опытовом бассейне (А.с. СССР N 1057362, опубл. 30.11.1983), содержащая жестко закрепленную на буксировочной тележке раму, по горизонтальным направляющим которой перемещается каретка, связанная с динамометром и снабженная роликами, в которых находится вертикальная штанга, соединенная с буксируемой в канале бассейна моделью судна.
Недостатком известной установки является ограничение диапазона перемещений модели размерами канала. Установка не позволяет проводить маневровые испытания модели судна и, следовательно, определять показатели качества управления судном.
Известен способ маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне и устройство для его осуществления (Пат. РФ №2132796, опубл. 10.07.1999), описывающий экспериментальный способ и устройство проведения испытаний судна в опытовом бассейне. Устройство содержит корпус, размещенный на тележке, вертикальный вал на подшипниках, связанный с приводом поворота модели, включающий электродвигатель с редуктором, рычаг, жестко соединенный с вертикальным валом, динамометр с тензорезисторами и датчик угла поворота. Устройство дополнительно снабжено угловым редуктором, датчиком скорости движения тележки, концевыми выключателями, направляющими лыжами, направляющей державкой и ЭВМ. Изобретение направлено на повышение эффективности использования ледового поля и ледового бассейна в целом, а также повышение достоверности результатов измерения действующих на модель внешних сил и моментов.
Недостаток заключается в следующем. Ограничена область перемещения модели судна размерами опытового бассейна, кроме того, невозможно без существенных материальных затрат увеличить размеры бассейна. Также угол поворота модели не может превышать 10°, что не позволяет в полной мере проводить маневровые испытания модели судна и определять показатели качества управления судном.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в расширении диапазона моделируемых процессов, обеспечении маневровых операций в неограниченном пространстве.
Для достижения указанного технического результата в физической имитационной модели судна, содержащей тележку, поворотный двигатель, датчик угла поворота (энкодер), компьютер, источник питания, тележка выполнена в виде платформы, имеющей носовую часть и кормовую часть в крайних точках которых установлено по антенне СНС и акселерометру, в центре платформы установлен блок управления, к которому подключены антенны СНС, акселерометры и источник питания, тележка снабжена четырьмя мотор-колесами, каждое из которых снабжено шаговым двигателем перемещений, поворотным шаговым двигателем и абсолютным энкодером, колесо установлено на горизонтальном валу шагового двигателя перемещений, вал которого вместе с колесом закреплен на вилке, которая в свою очередь размещена на вертикальном валу поворотного шагового двигателя, прикрепленного к жестко установленной на платформе П-образной пластине.
Благодаря подобной конструкции физической имитационной конструкции модели судна (ФИМС) возможно проводить маневровые операции на неограниченном пространстве и расширить диапазон моделируемых процессов.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показан общий вид ФИМС, на фиг. 2 - общий вид мотор-колеса, на фиг. 3 приведена схема системы правления ФИМС, на фиг. 4 - схема перемещения ФИМС с поворотом.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит тележку, тележка выполнена в виде платформы 1. Платформа 1 имеет носовую и кормовую части (на фиг. 1, 2 не обозначены). Платформа 1 снабжена четырьмя поворотными мотор-колесами 2. В центре платформы 1 установлен блок 3 управления. К блоку 3 управления подключены две антенны спутниковой навигационной системы (СНС) 4, одна антенна 4 расположена в крайней точке носовой части, другая - в крайней точке кормовой части платформы 1. К блоку 3 управления подключены также два акселерометра 5, один в крайней точке носовой части, другой - в крайней точке кормовой части платформы 1. К блоку 3 управления подключен также источник питания 6.
Каждое мотор-колесо 2 (фиг. 2) снабжено поворотным шаговым двигателем 8, шаговым двигателем 10 перемещений, абсолютным энкодером 12. Колесо 2 установлено на горизонтальном валу (на фиг. 2 не обозначен) шагового двигателя 10 перемещений. Горизонтальный вал шагового двигателя 10 перемещений вместе с колесом закреплен на вилке 7, вал проходит через отверстия в стальной вилке 7 и закреплен к вилке 7 болтами. Вилка 7 размещена на вертикальном валу (на фиг. 2 не обозначен) поворотного шагового двигателя 8 за счет чего вилка 7 вместе с колесом может осуществлять поворот вокруг вертикальной оси на 360°. Опора вилки 7 на платформу 1 осуществлена при помощи опорного подшипника 9. Поворотный шаговый двигатель 8 прикреплен к П-образной стальной пластине 11, которая в свою очередь жестко закреплена на платформе 1. На вертикальном валу (на фиг. 1, 2 не обозначен) поворотного шагового двигателя 8 размещен абсолютный энкодер 12, а также опорный подшипник 9 и сама вилка 7. С помощью абсолютного энкодера 12 определяют текущий угол поворота вилки 7 относительно носа платформы 1. Блок 3 управления (фиг. 2) содержит управляющий компьютер 13, два приемника 14 сигналов спутниковых навигационных систем (СНС), четыре двухосных контроллера 15 шаговых двигателей 8 и 10, четыре двухосных драйвера 16 шаговых двигателей 8 и 10, радиомодем 17.
Устройство работает следующим образом.
При старте системы управляющий компьютер 13 опрашивает абсолютные энкодеры 12 каждого мотор-колеса 2, и посредством контроллеров 15 шаговых двигателей и драйверов 16 шаговых двигателей выдает управляющие сигналы на поворотные шаговые двигатели 8 таким образом, чтобы все колеса 2 заняли одинаковые положения параллельно осевой линии платформы 1.
В течение всей продолжительности работы устройства сигналы спутниковых навигационных систем (СНС) GPS и ГЛОНАСС принимаются при помощи антенн 4 СНС, расположенных соответственно в крайних точках носа и кормы платформы 1, и обрабатываются приемниками 14 сигналов СНС, расположенными в блоке управления 3. Координаты носа и кормы регистрируются в памяти управляющего компьютера 13 и передаются оператору установки посредством радиомодема 17.
Для повышения точности позиционирования носа и кормы используют акселерометры 5, расположенные соответственно в крайних точках носа и кормы. В течение всей продолжительности работы устройства ускорения по осям продольных, поперечных и вертикальных перемещений, а также угловые скорости по вращению вокруг этих осей регистрируются в памяти управляющего компьютера 13 и передаются оператору установки посредством радиомодема 17.
Оператор может управлять движением модели (фиг. 4), задавая перемещение центра платформы GL и угол поворота γ управляющему компьютеру 13 через радиомодем 17. В случае прямолинейного движения задача управления шаговыми двигателями перемещений 10 тривиальна и не требует дополнительных расчетов. В случае криволинейного движения управляющий компьютер 13 рассчитывает требуемые перемещения мотор-колес 2 по формулам:
где Rc - радиус окружности, которую описывает геометрический центр G физической модели;
Н - расстояние (база) между осями поворота передних и задних мотор-колес 2 ФИМС одного борта.
Обозначим через sig знак угла поворота γ:
При повороте платформы налево sig<0, при повороте направо sig>0.
1
2
Тогда значения углов поворота γ и γ для поворотных шаговых двигателей 8 передних мотор-колес рассчитывают по формулам (3) и (4).
где L - расстояние между осями поворота левого и правого передних или задних мотор-колес.
3
4
Углы поворота для задних мотор-колес γ и γ рассчитывают как:
1
2
Расстояния, которые должны пройти мотор-колеса левого и правого бортов (AL и CL на фиг. 4 соответственно), вычисляют в соответствии с формулами:
1
4
1
2
1
2
c
Управляющий компьютер 13 посредством контроллеров 15 шаговых двигателей и драйверов 16 шаговых двигателей выдает управляющие сигналы на поворотные шаговые двигатели 8 таким образом, чтобы все колеса 11 заняли положения относительно осевой линии платформы 1 в соответствии с рассчитанными значениями углов γ…γ. По завершении выставления колес 11 на заданные углы рассчитанные значения AL и CL переводят в импульсы управления шаговыми двигателями 10 перемещений левого и правого бортов соответственно за счет управляющего компьютера 13, который посредством контроллеров 15 шаговых двигателей и драйверов 16 шаговых двигателей выдает управляющие сигналы на шаговые двигатели перемещений 10 таким образом, чтобы сопряженные с ними колеса 11 совершили требуемое количество оборотов в соответствии с рассчитанными значениями AL и CL. Это приведет к перемещению платформы 1 по дуге окружности с радиусом R.
Скоростью перемещения устройства управляет компьютер 13, задавая частоту следования импульсов, которые контроллеры 15 шаговых двигателей 8 и 10 передают на драйверы 16 шаговых двигателей 8 и 10. В свою очередь драйверы 16 шаговых двигателей с этой частотой изменяют комбинацию сигналов на обмотках шаговых двигателей 10 перемещений, что приводит к вращению валов шаговых двигателей 10 перемещений со строго определенной скоростью, определяемой элементарным углом поворота вала шагового двигателя 10 перемещений и заданной частотой следования импульсов.