ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС СТЕНДА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КАЧКИ КАТАМАРАНА В ВЕТРОВОЛНОВЫХ УСЛОВИЯХ
Аннотация
Статья посвящена актуальной теме имитации качки катамарана и программному обеспе-
чению, алгоритмам позволяющим реализовать эту имитацию. Актуальность вытекает из необ-
ходимости тестировать навигационные устройства и их алгоритмы, строить большие трена-
жёрные комплексы имитации объектов надводного, воздушного и наземного базирования. Данная
статья будет сосредоточена на описании программного и алгоритмического обеспечения для
создания имитатора качки катамарана, находящегося на поверхности воды, при воздействии на
него ветроволновых воздействий. Имитационный стенд для воспроизведения качки катамарана
включает в себя платформу Стюарта, датчики, микроконтроллеры и персональный компьютер
оператора. Верхняя часть платформы перемещается подобно палубе катамарана, а нижняя
часть жёстко закреплена. Результаты экспериментов учитываются датчиками, закреплёнными
на подвижной части, и обрабатываются микроконтроллером-прототипом навигационной сис-
темы. Считается, что навигационная система должна получать данные об объекте качки и воз-
вращать оператору вектор состояния, содержащий угол и скорость крена, угол и скорость диф-
ферента, высоту и скорость вертикальной качки. Применяемые математические модели описы-
вают динамику катамарана и системы управления, уменьшающую амплитуду качки, внешние воз-
мущения морской волны, формируемые по спектру Пирсона-Московица. Для получения траекто-
рий качки катамарана реализован алгоритм Рунге-Кутта 4-го порядка с фиксированным шагом, а
для фильтрации и восстановления полного вектора состояний катамарана реализован фильтр
Калмана по схеме с «с задержкой». Разработано программное обеспечение для воспроизведения
крена катамарана на имитационном стенде, фильтрации и восстановления вектора состояния,
графического отображения результатов эксперимента в виде графиков, сохранения результатов
в файлах. Для лучшей интерпретации результатов входные параметры графического интерфейса
и алгоритмов имеют простые наглядные параметры: скорость и направление ветра, начальное
состояние катамарана и служебные, а результаты представляются в виде графиков. В статье
представлено подробное описание взаимосвязи модулей программ, применяемых математических
алгоритмов, указаны входные и выходные параметры. Результаты имитации показывают дос-
таточное качество воспроизведения качки катамарана. Однако были выявлены незначительные
погрешности, связанные с механическими ограничениями применённой кинематической модели.
Литература
morekhodnosti [Onboard automation systems of seakeeping]. Odessa: Feniks, 2005, 272 p.
2. Boroday I.K., Zhivitsa S.G., Platonov V.G. Morekhodnost' korablya i puti ee izucheniya (k 50-letiyu
laboratorii morekhodnosti) [Ship seakeeping and the ways of studying it (to the 50th anniversary of
Seakeeping Laboratory)], Tr. Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra [Transactions of the
Krylov State Research Centre], 2018, No. 2 (384), pp. 147-152.
3. Akhmediev N., Chabchoub A., Hoffmann N., Onorato M. Super Rogue Waves: Observation of a Higher-
Order Breather in Water Waves // Phys. Rev. – 2012. – P. 2-7.
4. Dematteis G., Grafke T., Vanden-Eijnden E. Rogue Waves and Large Deviations in Deep Sea, Proceedings
of the National Academy of Sciences, 2018, Vol. 115, No. 5, pp. 855-860.
5. Stewart D. A Platform with Six Degrees of Freedom, Proceedings of the Institution of Mechanical
Engineers, 1965, Vol. 180, pp. 371-378.
6. Andrievsky B. et al. Control of pneumatically actuated 6-DOF Stewart platform for driving simulator,
19th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, Miedzyzdroje,
2014, pp. 663-668.
7. Krasnov E.I., Mikhaylov V.V., Sergeev S.L., Stuchenkov A.B. Development of a motion system for a
training simulator based on Stewart platform, International Conference “Stability and Control Processes”
in emory of V.I. Zubov, St. Petersburg, 2015, pp. 99-101.
8. Silva- uñiz Diego, Campos Julio, Fernández Enrique. Stewart Platform Motion Control Automation
with Industrial Resources to Perform Cycloidal and Oceanic Wave Trajectories, Machines, 2022. DOI:
10. 711. 10.3390/machines10080711.
9. Lebrón . , Valente V., Sobczyk ., Perondi E. Control of an Electrohydraulic Stewart Platform Manipulator
as Vessels Motion Simulator, 9th FPNI Ph.D. Symposium on Fluid Power, 2016.
V001T01A033. DOI: 10.1115/FPNI2016-1553.
10. Villacís C. et al. Real-time flight simulator construction with a network for training pilots using mechatronics
and cyber-physical system approaches, 2017 IEEE International Conference on Power, Control,
Signals and Instrumentation Engineering, Chennai, pp. 238-247.
11. Advani Sunjoo, Hosman Ruud, Potter Mario. Objective Motion Fidelity Qualification in Flight Training
Simulators, 2007. DOI: 10.2514/6.2007-6802.
12. Affan Muhammad, Ahmed Syed, Manek Ali, Uddin Riaz. Design and Implementation of the Washout
Filter for the Stewart-Gough Motion Platform, 2019, pp. 415-419.
13. Zhu Daoyang, Yan Jun, Duan Shaoli. A Design of Nonlinear Scaling and Nonlinear Optimal Motion
Cueing Algorithm for Pilot's Station, Wuhan University Journal of Natural Sciences, 2021, Vol. 26,
pp. 513-520.
14. Lukianov Petro, Kabanyachyi Volodymyr. Mathematical model of stable equilibrium operation of the
flight simulator based on the Stewart platform, Aviation, 2023, Vol. 27, pp. 119-128.
15. Lipko I.Yu. Modelirovanie redkikh sobytiy kachki bespilotnogo katamarana [Rare roll event modeling
of unmanned catamaran], Morskie intellektual'nye tekhnologii [Marine intellectual technologies],
2021, No. 4-1 (54), pp. 219-226.
16. Fossen T.I. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control. Jhon Wiley & Sons, 2011.
ISBN 978-1-119-99149-6.
17. Kramar V. Development of the particular vessel mathematical models, Annals of DAAAM and Proceedings
of the International DAAAM Symposium, 2016, Vol. 27, Issue 1, pp. 34-39.
18. Galeazzi R., Christian H., Mogens B., Fossen T. I. Stabilisation of parametric roll resonance by combined
speed and fin stabilizer control, Proceedings of the European Control Conference, Budapest,
Hungary, 2009, pp. 4895-4900.
19. Lopatukhin L.I., Bukhanovskiy A.V., Chernysheva E.S. Spravochnye dannye po rezhimu vetra i
volneniya Beringova i Belogo morey [Reference data on the wind and wave regime of the Bering and
White Seas]. Rossiyskiy morskoy registr sudokhodstva [Russian Maritime Register of Shipping],
2010, 566 p. ISBN 978-5-89331-135-8.
20. Lewis F.L., Xie L., Popa D. Optimal and Robust Estimation: With an Introduction to Stochastic Control
Theory. 2nd ed. CRC Press, 2017.
