Geum.ru

Д. Ф. Устинова выпускная квалификационная работа Милушкова Виталия Игоревича Фамилия, Имя, Отчество студента Тема диплом

Вид материалаДиплом
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

1.4 Исследование опыта применения моделирующих систем при проектировании сложных морских технических систем и используемой в них визуализации результатов моделирования


При применении моделирующей системы используются тренажеры, позволяющие моделировать движение исследуемых объектов и визуализировать результаты моделирования. Обзор существующих разработок в области тренажеров для морской отрасли показывает, что, как правило, значительное внимание уделяется созданию видеоподсистем, позволяющих с высокой достоверностью отображать результаты действий оператора. В качестве примера можно привести целый ряд как зарубежных, так и российских разработок.

Космическая и подводная лаборатория робототехники при техническом университете механики штата Виктория (Канада) имеет несколько выполненных проектов в области подводных тренажеров и симуляторов, которые дали ощутимый эффект при отработки систем управления и при обучении [17]. Работы, продолжающихся в настоящее время, связаны и адаптивным управлением автономных подводных аппаратами. В системе проводится моделирование динамики при швартовке систем, которое было выполнено по заданию служб канадской береговой охраной. В тренажере выполнено моделирование динамики кабельных систем и манипуляторов. Развиваются исследования и экспериментальная проверка правильности модели расширенного управления для упругодеформированных состояний кабельных систем [17].

Исследования лаборатории охватывают как автономные НПА так и привязные телеуправляемые подводные аппараты. Внедрены методы, учитывающие колебания судна в условиях сильной качки, и обеспечивая тем самым более широкие операционные возможности для привязанного НПА. В лаборатории работают над моделированием и мультипликации движения НПА на основе исследовании точных динамических моделей для использования в проектировании систем управления транспортных средств и разработки тренажеров. Разработана теория моделирования для буксируемых морских систем НПА, типа пришвартованных бакенов [4].

Цель работы космической и подводной лаборатории робототехники при техническом университете механики штата Виктория (Канада) состоит в том, чтобы создать универсальное средство моделирования для облегчения проектирования подводных транспортных средств. Разработанный пакет был развит с уклоном на проектирование аппаратов, но возможно его использование для целей подготовки обслуживающего персонала. Качество модели обеспечивает подготовку пользователя, который изучает динамическое поведение различных проектов подводных аппаратов в режиме реального времени. Модель динамики управляет трехмерной анимацией со средним качеством представления. Различные особенности мультипликации включают: выбор подстилающих грунтов и установленных точек наблюдения за подводным аппаратом.

Marine Technology Directorate Limited (MTD Ltd) – отдел моделирования Херойт-Вайтского университета, г.Единбург, Великобритания. Программное средство моделирования подводных аппаратов Core Simulation Engine (CSE) [15].

Система CSE позволяет решать проблемы подводной нефтегазовой разведки с помощью подводных аппаратов. К выполняемым операциям предъявляются высокие требования по надежности, эффективности, экономической стоимости и технологических возможностей.

Подводный симулятор CSE (Core & System Architecture) – выполняет моделирование до десяти проектов аппаратов различного класса. Это фактически развитый центральный модуль симуляции с разветвленной архитектурой системы, которая может быть использована в других разрабатываемых проектах.

Основной модуль динамики управления может быть применен для нескольких разных типов НПА. Развитость центрального модуля во многом определяет универсальность модуля динамической моделирования и архитектуры системы в целом. Цель проекта – развитие гибкой операционной системы моделирования, которая может быть использована как типовое средство при проектировании, планировании операций и как средства контроля и управления операций на удалении от берега. Для визуализации используются обычные плоские экраны, а трехмерная модель создается на базе использования графики OpenGL на Silicon Indy 4000 [22].

Massachusetts institute of technology, USA – исследования Массачусетского университета, штат Массачусетс США.

В стенах Массачусетского технологического университета разработана концептуальная методика разработки подводных симуляторов применительно к автономным необитаемым подводным аппаратам (АНПА).

В качестве основной цели при разработке программного обеспечения были определены следующие концепции:
  • гибкость и возможность реконфигурации миссии для различных условий;
  • программа управления АНПА;
  • подпрограммы известных режимов;
  • данные для визуализации миссии;
  • симуляция;
  • редактор и тестер структуры.

Исследования проводились в течение несколько лет и были сосредоточены на "многослойном" принципе организации управления. Разработка закончилась созданием набора программного обеспечения для конфигурирования, моделирования, выполнения подводных симуляторов.

Принцип "многослойного" управления явно определяет законы управления в командах – директивах. Директива – элементарный модуль "многослойного" управления, представляет собой самый низкий уровень миссии. Директива задается оператором и выдает команды на аппарат. Например, директива "Запретить столкновения с препятствием" состоит в том, чтобы предотвратить соприкосновения аппарата с объектами. Мощность "многослойного" управления зависит от скорости и возможности многократного интегрирования законов управления в реальном времени. Структура команды управления состоит из множества директив, и окончательный результат формируются в заключительную команду, которая посылается в АНПА [23].

"Многослойная" структура управления АНПА полностью реконфигурируема пользователем. Она составлено из активных директив, которые выбраны из библиотеки директив. В настоящее время, больше чем двадцать директив написаны для автономного аппарата "Одиссей II".

Программирование миссии в пределах "многослойного" управления типично определяет три шага:
  • решение,
  • директива и ее приоритет,
  • значения параметров директив.

Одна привлекательная особенность такого подхода – то, что эти шаги могут быть выполнены редактированием текстового файла инициализации миссии. Поскольку исходный текст управления АНПА не должен повторно компилироваться, миссии можно быстро конфигурировать в течение полевых экспериментов. Файлы инициализации коротки и относительно легки для восприятия.

URA Laboratory, Second Department, Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Tokyo, Japan – лаборатория фирмы УРА, Токио, Япония [6].

Группа проектировщиков Японии разработала систему симуляции движения подводных аппаратов под названием Multi-Vehicle Simulator (MVS). Модель симулятора позволяет работать как с абстрактными моделями, воспроизведенными в виртуальном пространстве, так и на смешанных моделях реального подводного аппарата, помещенного в бассейн и виртуальной обстановки, например, затонувшего судна [7].

Производится виртуальное моделирование работы НПА в корпусе затонувшего танкера и смешанное моделирование работы НПА в бассейне с виртуальными моделями преград.

Система MVS обеспечивает воспроизведение правильной траектории движения по модели затонувшего танкера, и слева рисунка – результат распознавания по геоинформационной картинке. Система оптимизирует план действия самостоятельно, анализируя информацию по многим позициям. MVS позволяет достаточно просто изменять расположение виртуальных преград, которые создаются путем смешения с телевизионным изображением аппарата в реальном бассейне.

Аппарат при отработке движения должен избегать эти виртуальные препятствия. Тем самым обеспечивается значительная экономия времени и средств при обучении или планировании операций.

Платформа вычислительного комплекса – Unix или Windows95 с использованием модульной структуры.

Имитационный комплекс имеет модульную структуру, включающую сервер, модель аппарата, модель среды (рисунок 6).





Рисунок 6 - Модульная структура имитационного комплекса MVS

В ЗАО "Кронштадт", Санкт-Петербург, разработаны и поставляются компьютерные тренажеры надводных кораблей серии "ЛАГУНА", представляющие собой программно-аппаратный комплекс, создающий единую тренировочную среду с многоканальной системой визуализации высочайшего качества, полностью интерактивными 3D сценами, скрупулезно повторяющими реальную местность и рельеф морского дна, математическими моделями кораблей, судов и иных наземных, надводных и воздушных объектов [17].

Тренажер "ЛАГУНА" позволяет вести подготовку специалистов по целой серии задач [18]:
  • управление кораблем при различных условиях;
  • управление кораблем при швартовных операциях, использование буксиров и швартовных концов;
  • маневрирование в сложных навигационных условиях, узкостях и акватории порта;
  • использование средств управления на мостике;
  • использование навигационной РЛС/САРП;
  • определение места корабля различными методами;

Легко понять, что подготовка на тренажере любой степени сложности никогда не заменит реальных учений. Но с тренажером "ЛАГУНА" можно начать тренировки еще до того, как корабль сойдет со стапеля. Используя точные математические модели корабля и его систем, а также комбинации реального оборудования с имитированным на дисплее - можно добиться серьезного прогресса в обучении к моменту прихода специалистов на боевые посты реального корабля [12].

Семейство навигационных тренажеров "ЛАГУНА" обеспечивает подготовку кадров различного уровня:
  • полномасштабные тренажеры для подготовки и сертификации специалистов по управлению кораблем, организации вахты и в других областях. Реальное, а также имитируемое оборудование, слито воедино с последними разработками специализированного программного обеспечения, создающими цельную, единую среду подготовки;
  • универсальные тренировочные классы для интерактивных групповых упражнений под руководством инструкторов;
  • индивидуальные тренажеры для подготовки в учебных классах, на борту корабля, а также для ознакомления с новым оборудованием, повышения квалификации и проверки знаний. Компактный тренажер на базе одного компьютера можно устанавливать практически в любом месте;

Тренажеры "ЛАГУНА" постоянно пополняются новыми конфигурациями и дополнительными возможностями. Всесторонний сервис и поддержка, гибкая ценовая политика, позволяют "Кронштадту" предлагать наиболее качественную и конкурентоспособную продукцию [12].

Исключительная эффективность программного обеспечения тренажера позволяет отрабатывать различные аспекты мореплавания в пределах одной и той же модульной конфигурации аппаратного и программного обеспечения. Тренажеры "ЛАГУНА" имеют модульную структуру, которая позволяет построить любую конфигурацию по желанию Заказчика для всевозможных вариантов подготовки.

Структура тренажера "ЛАГУНА":
  • Станция инструктора
  • Система визуализации
  • Реальные органы управления кораблем
  • Компьютерная имитация органов управления, навигационных приборов, радаров, САРП
  • Системы сопряжения и интерфейсы с иными тренажерными системами

Станция инструктора оснащена набором средств, обеспечивающих полный контроль на всех этапах выполнения заданий на тренажере, включая разработку, усовершенствование и редактирование упражнений для обучаемого. Инструктор может вводить ложные показания приборов, ошибки, помехи на любое оборудование, используемое на мостике для отработки упражнений - на радар, гирокомпас, лаг, а также менять естественные условия и задавать дополнительные параметры. Кроме этого, инструктор может следить за ходом выполнения упражнений на тренажере и проигрывать их в записи [13].

Пульт контроля и управления - это основной элемент станции инструктора. С него инструктор отправляет задания на мостики, а также получает информацию о действиях обучаемых, функционировании тренажеров и показаниях приборов.

Станция редактирования сцен включает в себя полный набор математических моделей кораблей, судов и иных объектов, предназначенных для разработки упражнений.

Избирательный канал визуализации позволяет инструктору проверять настройки, выбранные для отображения сцены в тех или иных естественных условиях, например, на корабле обучаемого или корабле-цели, а также выбирать угол и направление, с которых осуществляется наблюдение [13].

Селективный дисплей радара наделен всеми функциями радаров, установленных на реальных кораблях и позволяет наблюдать обстановку, отображаемую на корабле обучаемого.

Система визуализации, которая используется в тренажере "ЛАГУНА", воссоздает визуальную картину моря со всеми объектами, кораблями - целями, условиями видимости и освещения в соответствии с последними мировыми стандартами. Интерактивные погодные эффекты влияют не только на поведение судна на курсе, но и на работу электрорадионавигационных систем.

Математические модели представляет собой ряд реалистичных моделей различных типов кораблей и судов, которые позволяют производить швартовые операции с использованием и без использования буксиров, плавание в узкостях и прохождение шлюзов, применение систем вооружения.

Районы плавания, отображаемые тренажером компании ЗАО "Кронштадт" - это реальные модели среды, включающие объекты, созданные человеком, полный рельеф местности, а также подводную топографию. Картина может меняться в зависимости от природных условий, таких как, освещенность, уровень моря, а также условий, задаваемых инструктором во время выполнения упражнений.

ЗАО "Кронштадтом" разработаны различные виды вспомогательных дисплеев для разных типов кораблей, которые обеспечивают максимально реалистичное отображение работы приборов и систем. Корабельное оборудование, включенное в тренажер "ЛАГУНА", может воспроизводиться на экране или быть представлено реальными органами управления, что усиливает эффект от обучения. Также возможна комбинация этих двух подходов.

Реалистично выполненные имитаторы радаров ведущих производителей предоставляют все функции современных цифровых и аналоговых радарных систем. Тренажер соответствует мировым требованиям, предъявленным ПДМНВ-95 к этому типу оборудования. Благодаря возможностям тренажера может быть имитирован любой требуемый радар [15].

ЗАО "Кронштадт" производит полнофункциональные имитаторы навигационных приборов любых моделей, как российских, так и зарубежных производителей.

ЭКНИС, на базе которой ЗАО "Кронштадт" разработал тренажерный модуль, позволяет изучить работу с электронными картами различных форматов, таких как мировая коллекция векторных карт ТХ-97, растровые ARCS, NDI/BSB, а также векторные S-57 и DNC в формате VPF. Модули ЭКНИС производства ЗАО "Кронштадт" предоставляют возможности для планирования маршрута перехода, контроля плавания и определения места корабля по данным различных систем позиционирования и обладают иными важными функциями [12].

Тренажер "ЛАГУНА" построен на базе стандарта HLA (High Level Architecture) и может работать совместно не только с тренажерами Кронштадта но и с существующими тренажерными системами других производителей [18]. Возможно сопряжение тренажера "ЛАГУНА" с тренажерами вооружения и технических средств корабля, а также с тренажерами других кораблей, подводных лодок и летательных аппаратов. Это позволяет создать для всех учебных мостиков, кабин вертолетов и учебных мест единое трехмерное тренировочное поле и обеспечить полное их взаимодействие.

Осознавая важность подготовки инструкторов и технического персонала, инженеры и консультанты ЗАО "Кронштадта" предоставляют специальные подготовительные курсы:
  • работа с тренажером (базовый и продвинутый);
  • техническая эксплуатация;
  • создание трехмерных сцен, электронных карт, радарных сцен;
  • программы курсов, созданные по требованию заказчика;

ЗАО "Кронштадт" предоставляет своим заказчикам широкий спектр услуг, таких как дизайн, планирование, установка оборудования и оптимизация расходов. После установки ЗАО "Кронштадт" обеспечивает высокий уровень сервисной поддержки оборудования, постоянно расширяя и модернизируя его в соответствии с современными требованиями.

Программный комплекс ""Аврора"" обеспечивает пользователя фотографически точным и реалистичным визуальным представлением окружающего пространства [6].

Программный Комплекс "АВРОРА" является частью систем визуализации тренажеров ЗАО "Р.Е.Т. Кронштадт", он универсален и может использоваться следующих системах любой сложности:
  • тренажеры для подготовки специалистов управления на транспорте (управление воздушным и железнодорожным движением и т.п.);
  • морские тренажеры;
  • авиационные тренажеры;
  • тренажеры наземного транспорта;
  • тренажеры космических аппаратов;
  • исследовательские стенды;
  • различные ГИС-приложения.

Программный комплекс "АВРОРА" готов к визуализации выполнения следующих задач [7]:
  • планирование и проведение военных, антитеррористических, противопожарных и поисково-спасательных операций;
  • разработка трехмерных интерактивных ландшафтов местности;
  • создание сцен полетного задания;
  • создание трехмерного изображения различных объектов;
  • тренажеры космических аппаратов;
  • разработки детального визуального представления районов аэродромов и воздушного пространства над ними, включая объекты воздушного движения.

Программный Комплекс "АВРОРА" позволяет на основе электронных топографических карт и других источников информации, автоматически смоделировать ландшафт значительных площадей с точностью детализации объектов около 1 метра. Размеры моделируемых площадей могут быть 1000х1000 км2, и более.

При создании сцены, исходными данными кроме электронных топографических карт являются аэрокосмические снимки земной поверхности, наземные фотографии зданий и сооружений, библиотеки трехмерных объектов. В случае отсутствия дополнительных данных, программа сгенерирует типичную для данного участка местности текстуру земной поверхности, выкладывая ее по мозаичному принципу с плавными переходами. Исходная мозаика текстур различных типов земной поверхности для полосы 50…70 градусов северной широты размещена в базе данных программы. В комплексе "АВРОРА" создана обширная база данных 3D-объектов на основе реальных фотографий типовых участков местности. Объекты любого типа генерируются на сцене с той степенью точности, с которой они нанесены на карту. С этой же степенью точности генерируются водоемы, озера и т.п., а также вся рельефная (высотная) составляющая трехмерной сцены.

При разработке программного комплекса ""Аврора"" была произведена минимизации объёма генерируемой информации, что имеет особое значение при моделировании больших участков местности. Входными данными могут быть карты форматов SXF, SF, Shape, Mif*Mid. Для преобразования форматов и классификаторов карт различных изготовителей, контроля корректности карты и ее редактирования, в комплексе разработан специальный Картографический модуль [19].

Одно из главных преимуществ программного комплекса "АВРОРА" заключается в возможности разработки визуальных 3D сцен с минимальными временными и финансовыми затратами.

Эта часть программного комплекса "Аврора" позволяет корректно отображать смоделированный земной ландшафт в широком диапазоне изменения дальности видимости (от нескольких метров до десятков километров) и углов наблюдения.

Помимо стандартных функций отображения 3D-сцены в режимах перемещения и поворотов камеры наблюдения, в 3D-визуализацию встроены возможности по отображению целого ряда дополнительных эффектов:
  • трехмерная облачность, позволяющая реалистично имитировать пролет через нее летательного аппарата (пробивание облачности);
  • точная установка времени суток и корректное отображение небосклона, солнца и звезд;
  • возможность визуализации ночных сцен, в том числе городских застроек с большим количеством огней;
  • реализована физическая модель атмосферы, позволяющая воспроизводить фотореалистичные картины задних планов сцены (дымка, туман и др.);
  • моделирование любых типов огней;
  • реализация в сцене дымов и пожаров с учетом открытого и закрытого пламени, скорости и направления ветра и др.;
  • специальные функции, позволяющие в случае необходимости выделять (подсвечивать) заданным образом требуемый объект.

В качестве генераторов изображения используются стандартные ЭВМ, что обеспечивает оптимальное соотношение цены и качества.

ЗАО "Р.Е.Т. Кронштадт" предлагает весь спектр вариантов поставки, от программного обеспечения генерации сцен до полного программно-аппаратного комплекса визуализации, включающего специализированное программное обеспечение, генераторы изображения и базы данных по районам сцен [9].

Создание сцены по электронной карте проводится автоматически в кратчайшее время – около 10 минут на район площадью 100х100 км2. В случае необходимости можно воспользоваться специальным инструментарием, который позволяет встраивать в сцену как ортофотоснимки местности, так и трехмерные образы сооружений. Можно также импортировать пользовательские 3D объекты из таких систем моделирования как 3DMах, AutoCAD. Программная часть системы визуализации построена с использованием новейших расширений OpenGL, реализована поддержка языка C++. Визуализация сцены возможна на персональном компьютере (платформа Windows), оснащенном видео-ускорителем линейки GeForce. При использовании ускорителя GeForceFХ и компьютера CPU Intel Pentium IV, 3.0 GHz, RAM 512 Mb средняя скорость прорисовки составляет около 15…20 млн. треугольников в секунду. Управление программой визуализации может осуществляться как через COM-интерфейс, так и через DLL-библиотеку.

МГТУ им. Н. Э. Баумана разработал тренажер глубоководного телеуправляемого комплекса СТК [9].

Тренажерный комплекс предназначен для подготовки экипажей операторов телеуправляемых подводных аппаратов. Тренажерный комплекс должен обеспечивать проведение тренировок при выполнении следующих задач:
  • освоения управления пультовым оборудованием;
  • изучения устройства подводного телеуправляемого комплекса;
  • спуска НПА;
  • выполнения совместного движения НПА и судна;
  • выполнения режим движения НПА при неподвижном судна;
  • контроля функционирования всех систем НПА и спускоподъемного устройства судна;
  • маневрирования, выборки НПА;
  • выполнения технологических подводных операций;
  • формирования операторских навыков при работе с манипуляторами.

Конструктивно тренажерный комплекса состоит из следующих составных частей:   рабочего места обучаемого оператора НПА, рабочего места обучаемого оператора манипуляционного устройства,   места инструктора и  вычислительного комплекса.  В состав рабочего места обучаемого включаются два  устройства отображения,    пульты управления,    клавиатура, мышь, акустические колонки.  В состав рабочего места инструктора включаются:       устройство отображения,         клавиатура, мышь и    устройство энергопитания [9].   

Программное обеспечение:    операционная система,   системное программное обеспечение,       моделирующее программное обеспечение.   Состав программно-математического обеспечения  модульный и на  уровне компонент тренажера следующий:
  • система руководства обучения (СРО);
  • модель подводной среды и донных объектов;
  • модель НПА и  судна;
  • система движения НПА;
  • система моделирования энергетики ТК;
  • система телекоммуникации модулей ТК;
  • система моделирования гидролокатора секторного обзора (ГСО);
  • система моделирования эхолотов;
  • система моделирования телевидения;
  • система моделирования приводов и механизмов спускоподъемного устройства;
  • система моделирования коллизий;
  • система обучения и логики функционирования систем комплекса;
  • система имитации пультового оборудования;
  • система сетевого обеспечения.

 Время подготовки к работе из выключенного состояния составляет 10 минут [11].

 Рабочее место обучаемого обеспечивает управление моделью НПА и отображение информации.  На рабочем месте обучаемого обеспечивается имитация телевизионной информации с телекамер.    Отображение информации на рабочем месте инструктора осуществляется в объеме, необходимом для проведения учебного процесса. Здесь  обеспечивается формирование условий задания, контроль и регистрацию.    Инструктор может  вводить в процессе работы режим  аварий, неисправностей и других критических ситуаций. Инструктор может  изменять параметры внешних условий. Имитируется более 800 аварийных ситуаций комплекса

  Вычислительный комплекс (ВК) обеспечивает моделирование  динамики НПА  с  заданной точностью стабилизации по курсу, по глубине,  по боковому отклонению НПА относительно корабля, с учетом гидродинамики кабеля и кинематики несущего корабля. Выполняется  информационный обмен по каналам связи с  капитанским мостиком. Имитируется телевизионное изображение подводных телекамер НПА  В составе ВК-четыре  ПЭВМ Pentium III 1300/128mB. Видеакселератор  GeForсe2 МХ400 [11].

Операционная система  Windows NT 4.0. Габариты тренажерного комплекса:  ширина 2400 мм,   глубина 8600 мм, высота 1600 мм. Масса ТК составляет ~220 кГ.  Потребляемая мощность не более 850 Вт [11].

Выбор программы визуализации результатов моделирования обусловлен конкретными задачами, стоящими перед конструктором. Средняя стоимость вышеперечисленных визуализаторов десятки миллионов рублей, что сопоставимо, а может и превышать стоимость всей моделирующей системы. В большинстве случаев это неприемлемо на этапе разработки проектов, когда продукт еще не окупил себя, связи с этим разрабатываемая система визуализации результатов моделирования выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий актуальна и востребована, так как её расчётная стоимость на порядок ниже и составляет около восьмидесяти тысяч рублей (смотри раздел 4).