Вход на сайт

Зарегистрировавшись на сайте Вы сможете добавлять свои материалы






Самодельный авторулевой для яхты


Железный рулевой - Островок с блошиной лавкой — ЖЖ

О ветровом подруливающем устройстве (windvane), я мечтал давно. С прожитыми годами, пройденными милями, резонов в одиночном плавании находилось все больше. Ну, если не в одиночном, то в плавании с совсем маленьким экипажем.

При продолжительных переходах удовольствие от "рулежки", столь знакомое яхтсменам выходного дня, быстро исчезает -- на смену ему приходит элементарная усталость. В такие моменты думаешь о помощнике, который заменил бы тебя на руле. Да и правду сказать – внимания и забот яхтенное хозяйство требует немало.
Казалось бы решение лежит на поверхности – нужен автопилот. Однако главный минус современного автопилота – потребность в электричестве. На больших переходах электричество всегда в дефиците, потребность в нем и без автопилота велика. Что же делать? Яхтсмены-одиночки давным-давно придумали выход из положения – ветровой автопилот. Хотя, так ли давно? Современным схемам чуть более полувека. Они прошли путь от простых, но громоздких флюгеров до миниатюрной "серво-маятниковой" схемы.
Полковник Хаслер (Блонди), первым использовал энергию, производимую собственно движением лодки. Вертикальное перо руля автопилота находящегося в кильватерной струе судна, при небольшом отклонении, команду на которое подает флюгер отслеживающий вымпельный ветер, уходит в потоке воды в сторону, и сообщает через штуртросы усилие на румпель основного руля яхты. Сила, развиваемая при этом, очень велика, штуртросы без труда поворачивают руль в нужное положение.
Эта схема, дополненная чувствительным флюгером на горизонтальной оси, и была испытана мной.

На выстреле за кормой яхты появился автопилот "Wind Totem III" -- первая отечественная разработка подобного устройства, готовая к запуску в небольшую серию.
Монтаж и настройка заняли несколько часов – корма у моей яхты вельботная и в схему пришлось ввести дополнительные детали крепления. Работы закончились поздно вечером, бригада "розмыслов" уехала, и мы с автопилотом остались одни. Началось наше знакомство.
Утро следующего дня было солнечным, но, увы, маловетреным. По правде сказать, меня это не слишком расстроило – одним из испытаний на чувствительность подобного устройства есть тест на его работу при слабом попутном ветре. Действительно, в этих условиях вымпельный ветер при следовании курсом фордевинд или бакштаг стремится к нулю. Насколько окажется чувствительным "Wind Totem III"?

Выбираясь из реки в залив, я решил испытать автопилот при движении под мотором. Это возможно, ведь вымпельный ветер не пропадет при таких условиях даже в полный штиль. Сразу пришлось перезакладывать штуртрос, он оказался заведен неправильно. Вот, теперь порядок, ставлю ветровое крыло в поток ветра – поехали! Одна проблема – на фарватере оживленное движение (выходной) и "минное поле" из рыбаков на надувнушках. Убедившись, что при движении под мотором автопилот работает, перехожу на ручное управление и начинаю привычный слалом.
И вот я на чистой воде. К уже поставленному гроту поднимаю стаксель и глушу мотор. Ветер 1-3 м/с. Волны нет. Яхта на курсе фордевинд идет со скоростью 0,5-0,8 уз. При этом автопилот уверенно держит заданный курс, это видно не только по кильватерному следу, но и по тому, что паруса стоят "на бабочку" и стоят устойчиво! Ветровое перо чуть покачивается из стороны в сторону в слабом потоке ветра. Товарищ рулит!
Острые курсы уже не вызывали вопросов – скорость вымпельного ветра возросла и за кормой появился отчетливый и ровный кильватерный след. Волна от проходящих судов не служила помехой.
Этот выход зарядил меня оптимизмом. Появились некоторые усовершенствования – я снял с румпеля утку, на которую крепил штуртрос, и заменил ее тонким рельсом с ползуном. Теперь, накидывая на него короткую цепную вставку, я мог регулировать натяжение штуртроса, быстрее включать в работу автопилот или переходить на ручное управление.
Через неделю была проведена вторая часть испытаний. Погода испортилась и два дня плавания проходили при крепчающем юго-западном ветре, дующем на порывах до 12 м/с. Короткая крутая волна, окатывающая палубу при проходе бара реки, сулила достаточно жесткие условия для испытания устройства. И оно опять не разочаровало! В какой-то момент площади полного грота явно стало много – лодка лежала на руле – но автопилот справлялся с возросшими нагрузками, уверенно сдерживая яхту от стремления привестись. Многочасовая скачка по волнам в заливе с ощутимым (до 25-30º) креном, вселила окончательную уверенность в работоспособности "Wind Totem III".

Нельзя сказать, что понравилось абсолютно все. Кажется достаточно сложным общий монтаж устройства – крутить винты и гайки далеко за кормой, да к тому же при этом подстраховывать агрегат от падения в воду, в одиночку практически невозможно. Часто этим заниматься явно не будешь. Значит должен быть предусмотрен удобный стояночный вариант, при котором это перо будет находиться над водой. Сейчас, при извлечении из воды, оно вместе с баллером занимает положение под углом около 45º к мачте флюгера, увеличивая габарит яхты в корме и сильно нагружая саму мачту. На волне, которая не редкость на наших стоянках такое положение вызывает тревогу. Стоит подумать над тем, как сделать перо руля поворотным (как на швертботах). Ветровое крыло сделанное из тонкой фанеры после недолгой эксплуатации пошло "винтом" -- тут тоже надо что-то придумать. Но в целом конструкция автопилота "Wind Totem III" мне кажется удачной, и я доволен своим приобретением.

Тот, кому интересно посмотреть на это чудо в действии, может посмотреть ролики:

самодельный автопилот | Стр. 23

Мой дизайн автопилота, программа, проводка онлайн

Вот мой блог, в котором я разместил свой дизайн автопилота.

http://www.dc9.com/blog

Мне нужно обновить электрические распечатки (не полностью) и добавить несколько фотографий, но программный код ПЛК актуален, как и конфигурация экрана. Это было успешно использовано на моей парусной лодке Ericson 29. В этой конструкции нет гироскопа. Использование гироскопа скорости, по-видимому, необходимо при движении по ветру на парусной лодке.Очень немногие автопилоты могут делать это правильно. Фактор в том, что корпуса парусников типа IOR (корпуса каноэ с плавниковыми килями) в основном нестабильны при движении по ветру с последующим морем, и я думаю, что шансы получить автопилот, чтобы эффективно работать по ветру с корпусом типа IOR, равны нулю. Одно время я хотел попробовать интегрировать гироскоп скорости в эту конструкцию, но я не собираюсь туда идти. Я не думаю, что это того стоит.

Мое следующее упражнение - обновить этот элемент управления новым ПЛК со встроенным веб-сервером и избавиться от выделенного экрана.С помощью веб-сервера я могу настроить автопилот с планшета. Я также собираюсь использовать это управление с гидравлическим приводом.

Стоимость начала работы с этой установкой невелика.
Этот ПЛК стоит 129 долларов. Добавленная карта ввода-вывода еще 40 долларов. Преобразователь постоянного тока в постоянный около 30 долларов. Электропривод около 100 долларов. Компас ... ну, это зависит от того, чем вы пользуетесь, но менее 100 долларов. Несколько реле 20 долларов. Если вы хотите использовать подвеску с кабелем (рекомендуется), вы можете добавить еще 100 долларов за водонепроницаемый джойстик, коробку и кнопки.Когда вы закончите, у вас есть автопилот, который вы можете обслуживать и обновлять.

Преимущество использования этой базовой конструкции заключается в том, что ее можно адаптировать к электрическому приводу, гидравлическому приводу или даже к приводу шагового двигателя (подумайте о пилоте колеса - при другом ПЛК).

Относительно использования данной конструкции на моторной лодке; Это должно работать нормально. Фактически я понял, что конструкция автопилота моторной лодки действительно проста по сравнению с парусной лодкой.

.

самодельный автопилот | Стр. 5

Некоторые идеи о самодельном автопилоте

Я думал об этом уже некоторое время, и некоторые текущие проекты начинают частично пересекаться. Я думал, что поделюсь некоторыми вещами, которые я узнал, и идеями, которые у меня были.

Моя цель - построить автопилот для моей лодки весом 24 000 фунтов. У меня есть флюгер, но иногда он требует слишком много времени для настройки, и мне не нравятся определенные точки паруса или езды на автомобиле.

Мне удалось подобрать гидроцилиндр и насос Raymarine type2 много лет назад, и я прикрепил их к валу руля.У меня также есть небольшой линейный привод от старого Autohelm, который я прикреплю к флюгеру. Я слышал о людях, использующих старые подвесные гидроцилиндры и 12-вольтные гидравлические насосы неморского назначения. Вместо этого вы, вероятно, могли бы использовать гидравлический штурвал, подключенный к приличному мотор-редуктору.

Чего не хватает, так это процессора, датчиков и интерфейса.

Лучшее, что я нашел для привода двигателя гидравлического насоса, - это щеточный контроллер двигателя постоянного тока Roboteq AX1500SC. Этот контроллер мотора рассчитан на непрерывный ток 40 ампер, поэтому он должен быть более чем совместим с любым мотором автопилота даже в тяжелых условиях.Он имеет встроенное ПИД-регулирование и требует аналоговой обратной связи для положения руля направления. Я собирался купить на eBay какой-нибудь промышленный потенциометр.
Контроллером можно управлять несколькими способами, но я собирался использовать его последовательный интерфейс. Вы отправляете ему желаемое положение руля направления, и он перемещает руль туда в зависимости от того, как вы настроили PID.

Для сенсорных входов я собирался использовать цифровой компас OS4000. Это крошечное устройство определяет курс, тангаж, крен и ускорение по 3 осям.Он делает это очень быстро с очень высокой точностью через последовательное соединение уровня TTL. Вам также, конечно, понадобится GPS для долгосрочного следования за курсом, а также информация о ветре, если вы хотите поддерживать постоянный угол ветра.

Осталось только мозг и пользовательский интерфейс. Здесь у меня есть две очень разные идеи. Во-первых, нужно использовать пару Arduinos. Один будет обрабатывать курс, а другой будет подключен к ЖК-дисплею и кнопкам пользовательского интерфейса. Код будет написан на упрощенном языке C.
Вторая идея - использовать компьютер форм-фактора PC / 104 под управлением Linux и писать весь код на python. Это было бы излишним с точки зрения обработки, но могло бы выполнять двойную функцию в качестве компьютера навигации / приборов. Старое оборудование PC / 104 довольно дешево и построено по промышленным спецификациям.

Все это будет размещено в корпусе IP67 / IP68 / NEMA 6P (в зависимости от местоположения) с некоторыми приличными переборками (мне нравится Souriau UTS).

Я не особо задумывался над дисплеем и элементами управления, но это должно быть легко.

Для программного обеспечения наиболее простой реализацией будет стандартный контур PID с желаемым курсом, который представляет собой SV, угол руля направления MV и фактический курс PV.
Как только это заработало, можно было подключить дополнительные входы, чтобы все работало лучше.
Легко настраиваемый акселерометр направления может изменять параметры настройки ПИД-регулятора.
Постоянный угол крена (крена) может указывать на плавание, и, поскольку большинству парусников легче подниматься вверх, чем падать, это можно реализовать.Этот эффект также усиливается с увеличением угла наклона пятки.
Внезапное увеличение скорости ветра во время плавания имело бы аналогичный эффект, но с большей задержкой.

«Конечная» функциональность заключалась бы в том, чтобы взять временной ряд данных по тангажу / крену / рысканью и ускорению и провести его через некоторый анализ Фурье, чтобы получить частоты и направления волн, действующих на судно. Вот как это делают буи NOAA. Теоретически вы должны быть в состоянии предсказать движение лодок, если волновые поезда имеют какую-то регулярность.Это будет далеко за пределами Arduino, но не слишком сложно (теоретически) для процессора x86, использующего scipy или matplotlib.

Было бы дешево? Нет, вероятно, это будет не менее 1000 долларов США за оборудование, исключая приводной механизм. Это будет дешевле, чем Raymarine хочет за 2600 долларов за X30 + 660 долларов за управляющую головку. Он также мог быть намного сложнее. Я сомневаюсь, что X30 активно отслеживает состояние моря или динамически меняет свои настройки в зависимости от скорости судна.

Мне нужно взглянуть на ybwopenpilot, чтобы увидеть, куда они идут с этим...

.

самодельный автопилот | Стр. 4

Дэйв,

Я работал с измерительными судами и с последующей обработкой данных, и первое, что нужно отметить, это получение данных о движении, которые действительно значимы (подумайте о плоскости отсчета и о том, что вы на самом деле собираетесь измерять) для стартеры - не особо легкая работа. Пункт 2 заключается в том, что если вы хотите интегрировать ответ акселерометров для определения положения, вам потребуется ДЕЙСТВИТЕЛЬНО точное измерение, это не невозможно, но потребует много работы.Если вы попытаетесь это сделать, вы очень быстро узнаете, почему инерциальные навигационные системы так дороги и почему они не подходят для яхт.

Исторически подход к автопилотам заключался в том, чтобы управлять либо постоянным курсом, либо постоянным углом кажущегося ветра, последнее очень успешно выполнялось с помощью флюгера руля направления.

Я бы посоветовал вам начать с простого автопилота с удержанием заголовка, написанного на «стандартном» аппаратном обеспечении ПК, есть много кода, написанного под Linux, который поможет.

Затем вы можете посмотреть на эффект пропорционального управления. Вы также можете использовать GPS для оценки типичной ошибки поперечного сечения. Есть устройства GPS, которые обновляются с частотой 5 Гц, и этого будет более чем достаточно. Вероятно, вам следует делать небольшую коррекцию ошибки перекрестного следа каждые 30 секунд - 1 минуту.

Итак, входные данные, которые, как я ожидаю, вам понадобятся для достаточно хорошей системы, будут следующими:

GPS-трек
Магнитный курс
и более поздние версии Видимый угол ветра

Выходные данные - это просто угол руля направления.

Надеюсь, это поможет,

Тим Б.

.

самодельный автопилот | Стр.7

На самом деле я не уверен, что поверхности управления являются проблемой, и я вижу больше применений для IMU, чем просто усиление автопилота для рулевого управления. Если мы имеем дело с яхтами, то нам нужно позаботиться о курсе, треке, угле ветра и ошибке поперечного сечения. Однако, если мы рассматриваем моторную лодку, мы можем использовать SAS / IMU для уменьшения крена (например).

Если мы примем диаграмму Дэйва в мировых координатах, то на самом деле это совсем не бессмысленно.Совершенно верно. Он показывает классическое различие между курсом и треком, которое в неприливных районах будет углом отклонения. Вопрос только в том, как это компенсирует автопилот. Возьмем на мгновение случай с неприливными водами ... Как правило, угол отклонения проявляется как ошибка поперечного сечения, и система пытается минимизировать эту ошибку, но только если вы используете полуинтеллектуальный автопилот. . Часто это случай установки магнитного курса и оставления его. В приливных водах у вас такая же ситуация, но XTE из-за приливного течения становится доминирующим, и угол отклонения фактически не увеличивается.

Так нам нужен IMU? ну, устраивай себя, но у него есть применение. Я предлагаю начать с простых алгоритмов, а потом добавить уточнения. Конечно, есть и другие люди, которых я знаю, которые сочтут полезным использование ИДУ.

GBN: какое программное обеспечение вы используете? Кроме того, если вы откроете свой GPS, вы можете обнаружить, что в нем есть магнитометры, что является традиционным способом определения курса.

Ура,

Тим Б.

.

Смотрите также