Разработка автономной системы навигации для безэкипажного катера

Объектом исследования является безэкипажный катер промежуточного класса для работы с объектами различных типов. Предметом исследования является актуальное местоположение катера на акватории.
Цель работы – разработать автономную систему навигации для безэкипажного катера в виде программного обеспечения для компьютера оператора и микроконтроллера STM32, а также наладить передачу данных с катера на компьютер оператора. Эта система необходима для работы с объектами различных типов, например для разворачивания длиннобазной навигации на акватории.

Реферат …………………………………………………………………………………………………… 10
Обозначения и сокращения ………………………………………………………………………. 11
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
1 Обзор предметной области…………………………………………………………………….. 17
1.1 Описание предметной области ………………………………………………………….. 17
1.2 Принцип работы и основные элементы спутниковых систем навигации
………………………………………………………………………………………………………………. 18
1.3 Действующие спутниковые системы …………………………………………………. 20
1.4 Обзор и анализ существующих решений …………………………………………… 22
1.4.1 Автомобильная навигационная система ………………………………………… 22
1.4.2 Навигационная система АНПА …………………………………………………….. 23
1.4.3 Мобильная навигационная система ………………………………………………. 26
1.4.4 Выводы по обзору и анализу ………………………………………………………… 27
2 Проектирование автономной системы навигации для безэкипажного катера
………………………………………………………………………………………………………………… 28
2.1 Требования к проектируемой системе ……………………………………………….. 28
2.2 Задача многокритериального выбора ………………………………………………… 29
2.2.1 Постановка задачи многокритериального выбора …………………………. 29
2.2.2 Метод общего свертывания критериев ………………………………………….. 30
2.2.3 Метод поэтапного учета критериев ………………………………………………. 31
2.2.4 Метод постепенного наращивания свертки …………………………………… 31
2.2.5 Метод с использованием соотношения «цена-баллы»……………………. 32
2.2.6 Усовершенствованный метод свертки …………………………………………… 34
2.3 Описание инструментов решения ……………………………………………………… 35
2.3.1 GNSS модуль Quectel L76 …………………………………………………………….. 35
2.3.2 GPS протокол NMEA ……………………………………………………………………. 36
2.3.3 GSM модем ………………………………………………………………………………….. 40
2.3.4 Микроконтроллер STM32H103 …………………………………………………….. 42
3 Реализация автономной системы навигации для безэкипажного катера ….. 45
3.1 Интеграция автономной системы навигации в систему управления
безэкипажным катером …………………………………………………………………………… 45
3.2 Программная реализация автономной системы навигации для
безэкипажного катера …………………………………………………………………………….. 46
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 52
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения ………………………………………………………………………………… 53
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………….. 53
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………. 54
4.1.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………….. 55
4.2 Планирование проектных работ ………………………………………………………… 57
4.2.1 Структура работ в рамках проекта ………………………………………………… 57
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………. 58
4.2.3 Разработка графика проведения проекта ……………………………………….. 59
4.2.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ………………….. 63
4.2.4.1 Расчет материальных затрат НТИ …………………………………………….. 63
4.2.4.2 Основная заработная плата исполнителей темы ………………….. 65
4.2.4.3 Дополнительная заработная плата ……………………………………………. 66
4.2.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …. 67
4.2.4.5 Накладные расходы …………………………………………………………………. 67
4.2.4.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта……………………………………………………………………………………………….. 68
4.3 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования … 69
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 72
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 72
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………….. 74
5.2.1 Анализ выявленных вредных факторов при разработке и
эксплуатации проектируемого решения ……………………………………………. 76
5.2.1.1 Отклонение показателей микроклимата ……………………………………. 76
5.2.1.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны ………………………… 77
5.2.1.3 Превышение уровня шума …………………………………………………….. 80
5.2.1.4 Опасные и вредные производственные факторы, связанные с
электромагнитными полями ……………………………………………………………….. 81
5.2.1.5 Психофизиологические факторы ……………………………………………… 83
5.2.2 Анализ выявленных опасных факторов при разработке и
эксплуатации проектируемого решения ………………………………………………… 84
5.2.2.1 Повышенное значение напряжения в электрической цепи,
замыкание которой может произойти через тело человека …………………… 84
5.3 Экологическая безопасность……………………………………………………………… 85
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………… 86
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 89
Список публикаций ………………………………………………………………………………….. 91
Список литературы ………………………………………………………………………………….. 93
Приложение А …………………………………………………………………………………………. 96

В результате выполнения данной работы была разработана
автономная система навигации для безэкипажного катера, которая является
необходимой в архитектуре системы управления безэкипажного катера.
В данной работе представлены 5 глав. В первой главе была подробно
рассмотрена предметная область. Описан принцип работы и основные
элементы спутниковых систем навигации, а также перечислены
действующие спутниковые системы, проведён обзор и анализ существующих
решений автономных систем навигаций. Сделан вывод, что в результате
проведённого обзора и анализа невозможно взять одну из существующих
систем в качестве основы для автономной системы навигации безэкипажного
катера, так как разработанная система должна являться уникальной.
Во второй главе было проведено проектирование автономной системы
навигации для безэкипажного катера, перечислены требования к системе,
решена задача многокритериального выбора основного микроконтроллера,
который будет использоваться для оперативной обработки поступающих с
GNSS модуля сигналов. Методы задачи: общего свертывания критериев,
поэтапного свертывания критериев, постепенного наращивания свертки,
методом с использованием соотношения «цена-баллы» и
усовершенствованный метод свертки. Описаны остальные инструменты
решения, сам GNSS модуль, подробно описан протокол NMEA, GSM модем,
микроконтроллер STM32H103.
В третьей главе представлена автономная система навигации для
безэкипажного катера, её интеграция в существующую архитектуру системы
управления безэкипажным катером и представлена скриншоты программной
реализации автономной системы навигации.
В четвертой главе, финансовый менеджмент ресурсоэффективность и
ресурсосбережение, в ходе работы был определен целевой рынок проекта,
построена карта сегментирования. В рамках анализа определена
трудоемкость данного проекта, она равна 90 дням. На основании
трудоемкости была построена диаграмма Ганта. Так же были рассчитаны
величины затрат научно-исследовательских работ. В результате проведенных
расчетов, бюджет затрат НТИ составил 207757 рублей. После проведенных
сравнений и расчетов можно сделать вывод, что разработка автономной
системы навигации для безэкипажного катера является перспективной
разработкой, а также привлекательной для инвесторов, так как является
бюджетной.
В пятой главе, социальная ответственность, в ходе анализа
помещения, где располагалось рабочее место, были рассмотрены нормативы
микроклимата, освещения, шума, электробезопасности помещения, и по
фактическим данным этого помещения оно соответствовало требованиям
законодательства РФ. Также был произведен анализ вредных и опасных
факторов и методы минимизации их воздействия на человеческое здоровье.
В данной главе были рассмотрены аспекты экологической, производственной
безопасности, а также безопасности в чрезвычайных ситуациях (на примере
пожароопасности).
Практическая значимость работы заключается возможности
отслеживания местоположения безэкипажного катера во время выполнения
им миссии на акватории. Разработанная система в перспективе может
модернизироваться для различных целей, например, для разворачивания
системы длиннобазной навигации безэкипажным катером. В данном случае,
нужно отмечать 4 точки на карте акватории, по которым безэкипажный катер
будет расставлять навигационные буи в автоматическом режиме.
Список публикаций

1. Насонов А. К., Панкратов М. И., Чурсин Ю. А., Разработка
многофункционального безэкипажного катера промежуточного класса / А. К.
Насонов; научный руководитель Ю. А. Чурсин // «Перспективные системы и
задачи управления»: сборник материалов XIII Всероссийской научно-
практической конференции и IX молодежной школы-семинара «Управление
и обработка информации в технических системах», Ростов-на-Дону, 2018 г. –
Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2018 г. Режим доступа: http://rirpc.ru/wp-
content/uploads/2016/12/%D0%A1%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0
%B8%D0%BA-%D1%82%D1%80%D1%83%D0%B4%D0%BE%D0%B2-XIII-
%D0%92%D0%9D%D0%9F%D0%9A-
%D0%9F%D0%A1%D0%B8%D0%97%D0%A3-2018.pdf
2. Насонов А. К., Панкратов М. И., Чурсин Ю. А., Разработка
многофункционального безэкипажного катера промежуточного класса для
работы с объектами различных типов / А. К. Насонов; научный руководитель
Ю. А. Чурсин // «Молодежь и современные информационные технологии»:
сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 3-7 декабря 2018 г. –
Томск: НИ ТПУ, 2019 г. Режим доступа:
http://msit.tpu.ru/assets/digestArticles/msit_2018.zip
3. Панкратов М. И., Насонов А. К., Чурсин Ю. А., Разработка
нейронной сети и алгоритма определения расстояния до объектов для
установки в блок полезной нагрузки безэкипажного катера промежуточного
класса / А. К. Насонов: научный руководитель Ю. А. Чурсин // «Молодежь и
современные информационные технологии»: сборник трудов XVI
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых, Томск, 3-7 декабря 2018 г. – Томск: НИ ТПУ, 2019 г.
Режим доступа: http://msit.tpu.ru/assets/digestArticles/msit_2018.zip
4. Насонов А.К., Нурмухаметов Р.А., Павличев В.В., Панкратов
М.И., Чурсин Ю.А., Второе место во всероссийских соревнованиях
«Аквароботех 2018», в составе научно-исследовательской команды АНПА
«Платформа», Владивосток, 20-28 августа 2018 г. – Владивосток: ФПИ 2018.
Режим доступа:
https://old.fpi.gov.ru/activities/konkurs/old/sorevnovaniya_po_morskoy_robototeh
nike_akvaroboteh_2018

1.Пинский А.С., Е-навигация и безэкипажное судовождение //
Транспорт Российской Федерации. – СПб.: Т-Пресса, 2016. – Вып. № 65. – С.
50-54.
2.Фадюшин С.Г., Лекции по навигации // Сборник лекций –
Владивосток: ДВГМА им. адм. Г. И. Невельского – С. 1-2.
3.Спутниковая система навигации [Электронный ресурс]: сайт –
Режим доступа: http://tomsk.gps.ru/terminology/sputnikovaya-sistema-navigatsii/
(Дата обращения: 20.03.2019)
4.Информационно-аналитический центр координатно-временного
и навигационного обеспечения [Электронный ресурс]: сайт – Режим доступа:
https://www.glonass-iac.ru/guide/navfaq.php#section2(Датаобращения:
01.02.2019)
5.Автомобильная навигационная система [Электронный ресурс]:
сайт – Режим доступа: http://systemsauto.ru/another/automotive-navigation-
system.html (Дата обращения: 07.03.2019)
6.Комплексавтономногонеобитаемогоподводногоаппарата
«Платформа»: Руководство по эксплуатации. – Владивосток: Федеральное
агентство научных организаций институт проблем морских технологий
дальневосточного отделения РАН, 2016 г. – С. 17-18.
7.Навигация в мобильных устройствах – GPS и не только
[Электронный ресурс]: сайт – Режим доступа: https://3dnews.ru/566316 (Дата
обращения: 05.03.2019)
8.Аппаратное обеспечение модуля GNSS Quectel L76. – Шанхай:
техническая литература, 2013 г. – С. 9-12.
9.Описание протокола NMEA-0183 [Электронный ресурс]: сайт –
Режимдоступа:http://spacegrad.ru/NMEA-0183(Датаобращения:
05.03.2019).
10. Описание GSM/GPRS модуля SIM900 [Электронный ресурс]:
сайт – Режим доступа: http://besprovodka.ru/shop/gsm-3g/gsm-gprs-modul-
sim900/ (Дата обращения: 14.04.2019)
11. АТ команды. Управление gsm-sim900-gprs[Электронный ресурс]:
электронный учебник. – Режим доступа: https://alex-exe.ru/radio/wireless/gsm-
sim900-at-command/ (Дата обращения: 21.02.2019)
12. STM32-H103: Development board user’s manual [Электронный
ресурс]:техническаялитература.–Режимдоступа:
https://www.olimex.com/Products/ARM/ST/STM32-H103/resources/STM32-
H103.pdf (Дата обращения: 02.03.2019)
13. Рихтер Дж. CLR via C# программирование на платформе .NET
Framework 4.5 на языке C# [Текст] : научно-популярное издание. Вып. 5 / Дж.
Рихтер – Санкт-Петербург : Питер, 2018 – С. 724.
14. Сосковец Л.И., Финансовый менеджмент, экономическая часть
ВКР. Методическое пособие – Томск: НИ ТПУ, 2019 г.
15. Социальная ответственность:Методические указания по
разработкераздела«Социальнаяответственность»выпускной
квалификационнойработымагистра,специалистаибакалавравсех
направлений (специальностей) и форм обучения ТПУ/[Электронный ресурс]
Сост.Е.Н.Пашков,И.Л.Мезенцева.–Томск:Изд-воТомского
политехнического университета, 2019. – 24 с.
16. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ
(ред. от 01.04.2019)
17. Закон Томской области от 9 июля 2003 года №83-ОЗ «Об охране
труда в Томской области» (с изменениями на 4 июля 2014 года).
18. ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ
сидя. Общие эргономические требования.
19. ГОСТ 12.2.061-81 ССБТ. Оборудование производственное.
Общие требования безопасности к рабочим местам.
20. ГОСТ12.0.003-2015ССБТ.Опасныеивредные
производственные факторы. Классификация.
21. СанПиН 2.2.4.548–96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.
22. ГОСТ12.1.005-88ССБТ.Общиесанитарно-гигиенические
требования к воздуху рабочей зоны.
23. СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение.
Актуализированная редакция СНиП 23-05-95
24. СанПиН2.2.1/2.1.1.1278–03.Гигиеническиетребованияк
естественному, искусственному и совмещённому освещению жилых и
общественных зданий.
25. ГОСТ12.1.003-2014ССБТ.Шум.Общиетребования
безопасности.
26. СанПиН2.2.4.1340-03«Гигиеническиетребованияк
персональнымэлектронно-вычислительныммашинамиорганизации
работы».
27. СанПиН2.2.4.3359-16″Санитарно-эпидемиологические
требования к физическим факторам на рабочих местах”
28. ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот.
Общие требования безопасности.
29. ГОСТ 12.0.002-2014 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Термины и определения
30. ГОСТ12.4.011-89ССБТ«Средствазащитыработающих.
Классификация»
31. ГОСТ Р 57740-2017 Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Требования к приему, сортировке и упаковыванию опасных твердых
коммунальных отходов
32. ГОСТ Р 51768-2001. Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Методика определения ртути в ртутьсодержащих отходах.