Исследование и разработка системы цифрового магнитного компаса для малотоннажных морских судов : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.01

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 5
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ
СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО МАГНИТНОГО КОМПАСА ДЛЯ
МАЛОТОННАЖНЫХ МОРСКИХ СУДОВ …………………………………………………….. 10
1.1 Теория о магнитном поле Земли [9, 10] ……………………………………………………. 10
1.2 Типы магнитного компаса, используемого на кораблях …………………………… 13
1.2.1 FURUNO PG –700 ……………………………………………………………………………… 13
1.2.2 FURUNO PG–1000 [13] ……………………………………………………………………… 14
1.2.3 Азимут–90м [14]………………………………………………………………………………… 15
1.3 Принципы работы навигационных систем GPS и ГЛОНАС. Показатели
точности ………………………………………………………………………………………………………. 16
1.3.1 Принцип работы ГНСС ……………………………………………………………………… 20
1.3.2 Источники погрешностей спутниковых систем ………………………………….. 25
1.3.3 Точность системы GPS/ ГЛОНАСС……………………………………………………. 27
1.4 Описание протокола NMEA–0183 [27–30] ……………………………………………….. 29
1.5 Выводы по главе 1…………………………………………………………………………………… 30
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ
ВЛИЯНИЯ ШУМА НА ПОКАЗАНИЯ ЦМКС И АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
СОСТАВНЫХ УСТРОЙСТВ ЦМКС ……………………………………………………………….. 32
2.1. Обоснование применения методов фильтрации Калмана и интервальных
оценок для повышения точности показаний ЦМК…………………………………………. 32
2.1.1 Теория фильтрации Калмана как метода устранения выходного шума
ЦМК [78] …………………………………………………………………………………………………… 32
2.1.2 Описание метода интервальнoй и регрессионнoй фильтрации [86] …….. 35
2.2. Разработка и аппаратная реализация устройств входящих в состав ЦМКС 39
2.2.1 Разработка ЦМК ………………………………………………………………………………… 39
2.2.2 Разработка цифрового устройства отображения информации …………… 52
2.2.3 Разработка репитера гирокомпаса………………………………………………………. 60
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТРОЙСТВ ЦМКС ………………………………………………………………………………………. 72
3.1 Разработка ПО для ЦМК …………………………………………………………………………. 72
3.1.1 Подпрограмма инициализации …………………………………………………………… 74
3.1.2 Подпрограмма приема и обработки сигналов от датчика HMC5883L….. 75
3.1.3 Подпрограмма приема и обработки сигналов от модуля NEO–7M ……… 76
3.1.4 Подпрограмма рассчета значения азимута ψ на основе значений α и β . 81
3.1.5 Алгоритм Калмана для обработки зашумленного выходного сигнала
ЦМК [78, 79, 81, 83, 84] ……………………………………………………………………………… 81
3.1.6 Алгоритм фильтрации с применением интервального подхода для
микроконтроллера ATMEGA128 внутри ЦМК …………………………………………… 84
3.2 Разработка ПО для цифрового устройства отображения ………………………….. 86
3.2.1 Алгоритм начальной инициализации программы ……………………………….. 87
3.2.2 Алгоритм программы приема сигнала компаса ………………………………….. 88
3.2.3 Алгоритм обработки сигналов компаса ……………………………………………… 89
3.2.4 Алгоритм отображения азимута на четырех 7–сегментных светодиодах 90
3.2.5 Алгоритм управления яркостью (диммер) светодиодных индикаторов.. 91
3.2.6 Алгоритм расчета скорости поворота корабля ……………………………………. 93
3.3 Разработка ПО для Репитера гирокомпаса ………………………………………………. 95
3.3.1 Подпрограмма инициализация и объявление переменных ………………….. 96
3.3.2. Подпрограмма синхронизации ………………………………………………………….. 98
3.3.3 Подпрограмма прерывания INT1 ……………………………………………………….. 98
3.3.4 Подпрограмма приема сигналов от ЦМК …………………………………………… 99
3.3.5 Подпрограмма расчета азимута на основе данных NMEA0183,
полученных из ЦМК ………………………………………………………………………………… 101
3.3.6 Алгоритм управления шаговым двигателем ……………………………………… 102
3.4. Выводы по главе 3………………………………………………………………………………… 103
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИСПЫТАНИЙ ЦМКС …………………………………………………………………………………… 105
4.1 Результаты изготовления ЦМКС……………………………………………………………. 105
4.2 Установка и подключение устройств ЦМКС ………………………………………….. 106
4.3 Тестирование ЦМК ……………………………………………………………………………….. 108
4.3.1 Подготовка к тестированию и методы испытаний …………………………….. 108
4.3.2 Результаты испытания ЦМК…………………………………………………………….. 109
4.3.3 Результат фильтрации шумового сигнала для ЦМК на основе
интервального подхода [86] ……………………………………………………………………… 115
4.4 Тестирование индикаторных устройств в составе системы …………………….. 121
4.5. Выводы по Главе 4 ……………………………………………………………………………….. 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 124
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ………………………… 126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 127
Приложение 1. Программный код для устройств ЦМКС ………………………………… 134
Приложение 2. Программный код, написанный в ОП C#, для тестирования ЦМК
……………………………………………………………………………………………………………………… 157
Приложение 3. Протокол испытаний ЦМКС ………………………………………………….. 163
Приложение 4. Экспериментальные результаты испытаний ЦМКС ……………….. 168

В Заключении обобщаются основные результаты научных исследований,
разработки, изготовления и практических испытаний ЦМКС. Из этих результатов
следует, что поставленная цель работы достигнута, а именно: проведены
теоретические ислледования путей повышения точности определения курса
корабля, выполнены проектирование, разработка и экспериментальные
исследования цифровой магнитной компасной системы для оснащения
малотоннажных морских судов. Более подробно достигнутые при этом научные,
технические и иные результаты состоят в следующем.
1. Разработана структура предлагаемой ЦМКС отвечающая требованиям
стандартам ИМО для компасных систем морских судов на основе совместного
применения датчика магнитного поля HMC5883L и модуля спутникового
позиционирования на основе сигналов ГНСС NEO-7M и микроконтроллер
ATMEGA128.
2. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение реализации
цифрового фильтра Калмана, интервального и регрессионного подходов для
фильтрации зашумленных показаний корабельного цифрового компаса.
Результаты расчетов и практических испытаний ЦМКС показывают, что
применение указанных математических методов позволяет снизить погрешность
определения азимута до значений сопоставимых с погрешностью показаний
стандартных морских гирокомпасов.
3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для работы
устройств входящих в состав ЦМКС и обеспечивающих выполнение требований
морского регламента. В структуре ЦМК имеются все компоненты, отвечающие
стандартам компаса: блок датчика (датчик HMC5883L и модуль NEO-7M), блок-
центр обработки, блок питания, блок передачи данных NMEA0183.
Электрическая схема ЦМК, спроектированная по соответствующим стандартам,
обеспечивает возможность длительной эксплуатации системы на море. Цифровое
устройство отображения ЦМКС изготовлено из основных компонентов, таких как
микроконтроллер ATMEGA16, восемь семисегментных светодиодов,
предназначенных для отображения азимута и скорости вращения судов,
микросхема MAX485 для приема сигналов NMEA0183 от ЦМК. Изготовленное
цифровое устройство отображения отличается надежностью, устойчивостью
работы, удобством установки и наблюдения. Репитер гирокомпаса изготовлен из
основных компонентов, таких как микроконтроллер ATMEGA8, шаговый
двигатель, вращающаяся игла и т. д. Информация поступает в формате NMEA
0183 по каналу связи RS-485. Изготовленный репитер гирокомпаса
характеризуется достаточно простой структурой, красотой, высокой надежностью
и стойкостью от воздействия морских погодных условий.
4. Результаты испытаний ЦМКС, проведенных на вьетнамских судах,
показывают, что при совместном использовании датчика магнитного поля и
датчика позиционирования на основе ГНСС в сочетании с разработанными
методами цифровой фильтрации помех, возникающих в условиях эксплуатации,
точность выходных показаний ЦМКС значительно повышается и становится
сопоставимой с погрешностью морских гирокомпасов судов в пределах 0.1-1.1
градуса.
Перспективы дальнейшего развития темы исследования заключаются в
поисках новых решений по снижению шума с целью дальнейшего повышения
точности разработанного ЦМК и возможности его применения на более крупных
морских судах; а также разработка технических решений по передаче данных от
ЦМКС до ГНСС для обеспечения функций удаленного управления и мониторинга
параметров движения морских судов.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ИМО — Международная морская организация
КС — Компасная система
ЭКС — Электрическая компасная система
ЦМКС — Цифровая магнитная компасная система
ГНСС — Глобальная навигационная спутниковая система
ТС — Транспортное средство
GPS — Global Positioning System
ЦМК — Цифровой магнитный компас
NMEA — National Marine Electronics Association
I2C — Inter–Integrated Circuit
TTL — Transistor–transistor logic
UART — Universal Asynchronous Receiver–Transmitter
SPI — Serial Peripheral Interface
USB — Universal Serial Bus
FDMA — Frequency Division Multiple Access
WAAS — Wide area augmentation system
RISC — Reduced Instruction Set Computing
АЦП — Аналого–цифровой преобразователь
TQFP — Thin Quad Flat Pack
RS–485 — Recommended Standard 485
ЧПУ — Числовое программное управление
ASIC — Интегральная схема специального назначения
IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers
СГС — (сантиметр–грамм–секунда)