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
Актуальность темы и степень разработанности проблемы исследования
Компасные системы (КС) играют важную роль для определения
направления движения морских судов. По показаниям КС оператор определяет
траекторию движения, формирует координатную информацию для системы
автоматического рулевого управления, определяет оптимальный маршрут корабля
[1–5].
В настоящее время большинство малотоннажных судов, особенно морских
рыболовных судов и внутренних судов Вьетнама, снабжены только
традиционными магнитными компасами и не имеют современных гирокомпасов,
которые обладают слишком высокой стоимостью. При этом существенным
недостатком обычных магнитных компасов является невозможность их
сопряжения с другими электронными системами судов.
В настоящее время ряд фирм производит сложные цифровые магнитные
компасные системы (ЦМКС) для больших морских судов. Однако стоимость
таких систем, расходы на их эксплуатацию, обслуживание и ремонт являются
значительными. Кроме того, фирмы–производители не раскрывают технологии
производства таких систем. Это затрудняет их внедрение в практику небольших
рыболовных судов.
Таким образом, существует актуальная задача разработки и исследования
недорогих, компактных, простых по конструкции и технологии производства
ЦМКС с возможностью их комплексирования с другими электронными
системами морских рыболовных судах. Разрабатываемый ЦМК должен
обеспечивать повышенную точность определения азимута курса корабля,
сравнимую с точностью серийных гирокомпасов, соответствовать требованиям
стандартов на морскую аппаратуру [6–8]. Особые требования предъявляются к
повышению эксплуатационных характеристик и адаптации ЦМК для применения
на небольших морских рыболовных судах.
Целью данной работы является разработкa и исследование ЦМКС для
малотоннажных морских судов на базе цифрового магнитного компаса (ЦМК),
СВЧ приемного модуля позиционирования на основе использования сигналов
ГНСС, приборов отображения азимута, применения методов цифровой
фильтрации выходного сигнала для повышения точности разрабатываемой
ЦМКС.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить обзор теоретических вопросов, связанных с обоснованием,
проектированием и изготовлением ЦМКС.
2. Исследовать и применить технологию цифровой фильтрации
зашумленной информации на основе применения методов фильтра Калмана и
интервальных оценок для повышения точности выходных показаний ЦМКС.
3. Разработать алгоритмы и программное обеспечение (ПО) для устройств
входящих в состав ЦМКС.
4. Разработать и изготовить опытный образец ЦМКС. Провести
экспериментальные исследования основных выходных характеристик и точности
определения азимута разработанной ЦМКС на борту рыболовных судов в
реальных морских условиях эксплуатации.
Объект исследования – цифровая магнитная компасная система.
Предмет исследования – структурная схема, алгоритмы и ПО управления и
фильтрации координатной информации, методики испытаний и рекомендации для
практического использования.
Новизна результатов и положений заключается в следующем.
1. Впервые предложен, реализован и исследован морской компас для
малотоннажных морских судов, выполненный на основе комплексирования
датчика магнитного поля Земли и модуля спутникового позиционирования на
основе ГНСС.
2. В программе совместной обработки сигналов датчика магнитного поля
Земли и модуля спутникового позиционирования на основе ГНСС в ЦМК для
малотоннажных морских судов впервые использованы современные
математические методы цифровой фильтрации зашумленной выходной
информации ЦМК на основе применения фильтра Калмана в сочетании с методом
интервальной фильтрации.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования
1. Разработаны теоретические основы обработки информации в ЦМКС,
выполненном на базе датчика магнитного поля, модуля спутникового
позиционирования на основе ГНСС и применения методов фильтра Калмана и
интервальной фильтрации.
2. Разработан простой, надежной и экономически выгодной ЦМКС для
широкого использования на малотоннажных морских судах. Предлагаемый
ЦМКС может использоваться в качестве резервной компасной системы в случае
выхода из строя основной компасной системы на больших судах.
3. Испытания на вьетнамских судах показали перспективность широкого
применения созданного ЦМКС также на внутреннем судоходстве страны.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Совместное использование датчика магнитного поля и модуля
спутникового позиционирования на основе ГНСС в сочетании с разработанными
программными средствами значительно повысило точность выходных показаний
ЦМКС для малотоннажных морских судов, которая стала сопоставимой с
погрешностью стандартных морских гирокомпасов для больших морских судов в
пределах 0.1–1.1 градуса.
2. Методы цифровой калмановской фильтрации помех, интервальных
оценок и регрессионного анализа используемые в программном обеспечении
обработки сигналов датчика магнитного поля и модуля спутникового
позиционирования обеспечивают повышение точности и устойчивости показаний
предложенного ЦМКС для малотоннажных морских судов.
3. Алгоритмы обработки сигналов датчика магнитного поля, модуля
спутникового позиционирования, алгоритмы управления устройствами и
блоками, входящими в состав ЦМКС, заложенные в программное обеспечение
функционирования ЦМКС обеспечивают высокий уровень автоматизации и
надежность процесса получения координатных данных, удобство эксплуатации
для малотоннажных морских судов.
Личный вклад автора. Работа является самостоятельным исследованием.
Основные результаты получены автором самостоятельно при методической
помощи со стороны руководителя и научного консультанта. Вклад автора состоит
в постановке задач исследования, получении основных теоретических
результатов, разработке алгоритмов и программ для устройств ЦМКС,
проведении всех экспериментальных исследований. Все разработки и научные
результаты, выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены
самим автором или при его непосредственном участии. Экспериментальные
исследования и программная реализация выполнялась автором лично.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной
работы использованы методы теории вероятности, математической статистики,
теории матричного исчисления, компьютерного моделирования, а также
экспериментальные исследования.
Достоверность результатов работы обеспечивается совпадением
результатов выполненных расчетов и фактическими результатами натурных
испытаний ЦМКС на судах во Вьетнаме. Погрешность выходного значения
азимута ЦМК определяется его непосредственным сравнением с выходным
значением стандартного гирокомпаса на борту.
Апробация результатов и публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ, отражающих основные
положения исследования, среди которых 4 статей в журналах, определенных ВАК
и Аттестационным советом УрФУ, включая 3 статьи в изданиях,
индексируемых в международных цитатно-аналитических базах Scopus, 5 текстов
докладов в материалах международных научно-практических конференций.
Основные результаты работы были представлены диссертантом лично на
следующих конференциях:
1. Radio and Antenna Days of the Indian Ocean (RADIO), Cape Town, South
Africa, 25–28 Sept. 2017.
2. Международная (49–й Всероссийской) молодёжная школа–конференция
«Современные проблемы математики и её приложений», Екатеринбург, Институт
математики и механики УрО РАН, Уральский федеральный университет, 2018.
3. Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and
Information Technology (USBEREIT 2018), Yekaterinburg, Russia, 6–8. May, 2018.
4. Международная (29–я) Крымская Конференция «СВЧ–техника и
Телекоммуникационные Технологии» (КрыМиКо’2019), г. Севастополь, Россия,
2019.
5. Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and
Information Technology (USBEREIT), Yekaterinburg, Russia, 14–15. May, 2020.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы
успешно используются в компаниях «Maritime trading and service technology Co.,
LTD», «Thao Linh DMTCO, LTD» и на ряде вьетнамских судов.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы
из 87 наименований и 4-х Приложений. Содержит 173 страницы, 119 рисунков и
10 таблиц. Диссертация выполнена на кафедре радиоэлектроники и
телекоммуникаций Института радиоэлектроники и информационных технологий
– РТФ ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого
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)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!