Авторулевой для яхты своими руками чертежи

«Авторулевой» на яхте. Подруливающие устройства, удерживающие яхту на курсе

«Долгие часы, сутки, недели яхта лежит все на том же неизменном курсе без прикосновения к рулю». — Подобные фразы можно встретить в описаниях давних путешествий мореплавателей-одиночек — Слокама, Фосса, Жербо. Давних и, добавим, всех новых тоже — Хаслера, Чичестера, Нокс-Джонстона. Однако попробуйте-ка, бросьте руль на своей яхте хотя бы только для того, чтобы взять пару пеленгов или разжечь примус. Через минуту — другую хлопающие паруса заставят вас броситься к рулю. Возвращая яхту на прежний курс, поневоле вы будете размышлять над тем, а как же старые мореходы добивались такой невероятной устойчивости на курсе? И без всяких приспособлений. А может быть, вы захотите использовать опыт нынешних Чичестеров — поставить у себя на яхте «подруливающий автомат», без которого сейчас не мыслится ни одно дальнее плавание в одиночку или с немногочисленной командой.

Конечно, «автоматами» или, тем более, «авторулевыми» такие устройства называют чисто условно. Ведь они поддерживают курс яхты неизменным лишь относительно ветра и, следовательно, с заходом ветра истинный курс яхты изменяется. Таким образом, на «долгие часы, сутки, недели» доверять яхту «автомату» можно лишь вдали от берегов, идя в зоне устойчиво дующих ветров.

За прошедшие годы в связи с расширением района крейсерских плаваний парусных яхт под флагом нашей страны возрос и интерес наших яхтсменов к оборудованию яхт, любым устройствам, облегчающим работу команды, и в том числе — подруливающим устройствам.

«Авторулевой» на яхте

Любая современная яхта не может в течение сколько-нибудь значительного времени сохранять заданный курс, если ею не управлять. Иначе говоря, ее рулевой постоянно должен, действуя рулем, удерживать яхту от стремления привестись или увалиться под действием колебаний силы и направления ветра и волн, а также бортовой и килевой качки, изменяющих соотношение приводящих и уваливающих сил.

Две яхты, вооруженные шлюпом — старинная и современная.

История, правда, знает примеры, когда парусные суда длительное время могли идти и шли без управления, т. е. без вмешательства рулевого. Тот же «Спрей» капитана Слокама с закрепленным рулем, под полными гротом и стакселем, со втугую выбранным кливером и потравленным бизань-гика-шкотом (этим сдерживалось стремление судна к приведению) вполне удовлетворительно лежал на курсе крутой бейдевинд, не требуя никакого вмешательства мореплавателя-одиночки. Но отметим сразу: такими способностями обладали лишь старинные, по нынешним меркам — малоповоротливые суда с фальшкилем по всей длине корпуса и далеко разнесенными в нос и корму парусами — с длинным бушпритом, чаще всего с бизанью. Другое дело — современная яхта с узкими высокими парусами и килем, основная площадь которого сосредоточена в районе миделя. Поворотливость такой яхты намного лучше, чем у судна, подобного «Спрею», однако это и делает ее гораздо более чувствительной к влиянию любых, даже незначительных сил, отклоняющих ее от курса. Вот почему для автоматического удержания на курсе современной яхты приходится прибегать к специальным устройствам, использующим единственно доступный на маленьком парусном судне вид энергии — силу ветра.

Как же используется эта сила? Около головы руля устанавливается ветровое крыло в виде флюгера. Это крыло, свободно вращающееся на вертикальной оси, всегда разворачивается вдоль вымпельного ветра. При любом изменении положения яхты относительно ветра на флюгере возникает разворачивающее его по ветру усилие, которое при помощи привода передается на баллер руля и вызывает отклонение руля, приводящее яхту на прежний курс. Таким образом яхта автоматически сохраняет тот в принципе оптимальный курс по отношению к ветру, какой был задан рулевым, покидающим свой пост, чтобы отдохнуть или заняться какими-либо судовыми работами.

Принцип работы «авторулевого» — подруливающего устройства с передачей в виде двух встречных рычагов на основной руль малой яхточки. а — яхта идет заданным курсом; б — яхта самопроизвольно привелась, флюгер развернулся и положил руль на правый борт, яхта возвращается на правильный курс относительно ветра; в — яхта самопроизвольно увалилась, флюгер развернулся и положил руль на левый борт, яхта возвращается на правильный курс относительно ветра. А — положение флюгера; Б — положение пера руля.

Современные ветродействующие устройства не свободны от недостатков. Естественно, из-за малой площади флюгер реагирует только на ветер определенной силы: ветер силой менее 2 баллов, как правило, слишком слаб. При плавании на большой волне крыло часто обезветривается из-за завихрений воздушного потока между волнами. На полных курсах, близких к фордевинду, силы вымпельного ветра также может оказаться недостаточно, поскольку сила вымпельного ветра в этом случае, уменьшается, по сравнению с силой истинного ветра, а рыскливость яхты увеличивается.

Схема авторулевого для яхты типа «Миранда» с мягким парусом и передачей на основной руль.

Разберем принцип действия некоторых систем. Наиболее простым остается устройство типа «Миранда», которым была оборудована еще яхта Чичестера «Джипси Мот III» во время гонок одиночек через Атлантику. В качестве флюгера использован обычный парус на трубчатой рамке, укрепленной на небольшой вращающейся мачте. Усилие от давления ветра на флюгер передается на румпель руля яхты при помощи поперечного румпеля, посаженного на мачту, и тросовой системы. Устройство «Миранда» надежно. Применение в качестве крыла-флюгера шпрюйтового паруса позволяет, изменяя его площадь, регулировать усилие на баллере. Недостатком такого простейшего варианта является то, что для перекладки руля более или менее крупной яхты требуется значительная площадь ветрового крыла, тяжелая и громоздкая конструкция для его установки. Ветровое крыло больших размеров (мягкое или жесткое — безразлично) само создает большое, аэродинамическое сопротивление, снижая ход яхты на острых курсах.

В настоящее время применяются более эффективные устройства с отдельным вспомогательным рулем вынесенным как можно дальше в корму — иногда за транец (основной руль закрепляется при этом в положении прямо — в ДП). Благодаря увеличению плеча установки относительно миделя вспомогательный руль при равной эффективности с основным может иметь меньшую площадь, потребует меньших усилий для перекладки, а, следовательно, может управляться крылом меньшей площади.

В качестве примера такого устройства приведем эскизы простейшего «авторулевого» «Пластимар» с шестеренчатой передачей, а также схему устройства с передачей в виде двух встречных шарнирно соединенных рычагов. Второй вариант предпочтительнее, так как, меняя длины плеч рычагов, можно регулировать усилие, передаваемое от крыла на руль, и потому встречается чаще.

Простейшее подруливающее устройство типа «Пластимар» с шестеренчатой передачей на вспомогательный руль.

Наиболее распространенная схема авторулевого с передачей в виде двух встречных рычагов и балансирным вспомогательным рулем.

Во всех ветродействующих устройствах крыло должно быть сбалансировано при помощи противовеса для того, чтобы на положение крыла при крене не влиял его собственный вес.

Схема простейшего подруливающего устройства с закрылком на навесном руле.

Для небольших яхт с навесным рулем, например «Фолькботов», широко распространенных и у нас, обычно применяется несколько иной принцип. Поскольку навесной руль является самой кормовой точкой яхты, его и используют для «автоматического» управления, дополнительно устанавливая на задней кромке пера руля закрылок, ось которого жестко связана с осью крыла.

При уваливании яхты под ветер ветровое крыло разворачивает закрылок под ветер, встречное давление воды заставляет основной руль развернуться на ветер и привести яхту на прежний курс. Свободное качание основного руля при этом должно быть ограничено при помощи закрепления румпеля резиновым шнуром в ДП яхты.

Опыт показал, что закрылок «авторулевого» для яхты должен иметь площадь, примерно равную 1/6 площади основного руля, а площадь ветрового крыла должна примерно в четыре раза превышать площадь закрылка.

Эффективность действия устройств подобного типа, разумеется, будет выше, если закрылок выполнить в виде маленького вспомогательного руля и отнести его еще дальше в корму. В этом случае, опять-таки вследствие увеличения плеча, воздействие вспомогательного руля на перекладку основного увеличивается. На одной из приводимых схем показано устройство именно такого типа, изготовленное автором и испытанное на «Фолькботе».

Общий вид испытываемого автором подруливающего устройства: 1 — ветровое крыло, авиафанера δ=3, 1000х150; 2 — стойка крыла, сосна 700х30х50; 3 — кронштейн крыла, приваренный к диску Ø170 с отверстиями через 5°; 4 — кронштейн для навешивания устройства на голову основного руля, авиафанера δ=10; 5 — баллер вспомогательного руля, труба (сталь нерж.) Ø25х2,5; 6 — перо вспомогательного руля, сосна 600х150х25; 7 — противовес, латунь Ø50, L=60; 8 — штырь противовеса сталь нерж. Ø10, L=650; 9 — румпель вспомогательного руля, сталь нерж. δ=3; 10 — стопор, соединяющий ветровое крыло с баллером вспомогательного руля, сталь нерж. δ=5; 11 — шнурок для отсоединения ветрового крыла от баллера вспомогательного руля; 12 — резиновый амортизатор для мягкой фиксации основного руля.

Такое решение удобно тем, что относительно просто по конструкции, размещается на голове основного руля, легко ставится и снимается, не нуждается в штуртросовой или иной передаче. Для регулировки достаточно, потянув за шнурок, освободить ось крыла от зацепления с баллером вспомогательного руля и дать крылу установиться по ветру, а вспомогательному рулю — прямо.

Все описанные выше устройства могут применяться лишь на сравнительно небольших яхтах длиной по палубе 8-9 м. На более крупных яхтах силы, создаваемой самым ветровым крылом, уже не достаточно для перекладки руля, и устройства получаются более сложными (о них рассказано в статье «Основные системы современных подруливающих устройств»).

В настоящее время такие устройства уже не являются привилегией яхт мореплавателей-одиночек, пересекающих океаны. По мнению многих ведущих яхтсменов, «авторулевые» есть смысл устанавливать и на судах с нормальным экипажем. Здесь «авторулевые» будут вспомогательным видом управления, позволяющим вахтенному временно оставлять руль.

В. В. Чайкин. Литература: 1. «Die Jacht», № 25/26, 1969 г. 2. «Bateaux», апрель 1970 г. 3. «Катера и яхты», № 6, 1966 г.

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

Источник

Сайт про изобретения своими руками

МозгоЧины

Сайт про изобретения своими руками

Как сделать RC катер с опцией автопилота — часть 1

Как сделать RC катер с опцией автопилота — часть 1

Приветствую, мозгочины! Сегодня расскажу вам, как я своими руками создал Arduino-поделку — радиоуправляемый катер с опцией автопилота.

По сути, это мозгоруководство о создании автопилота на микроконтроллере Arduino, который можно установить в любую модель, тем самым превратив ее в радиоуправляемую поделку, даже не просто поделку, а автономного дрона. На сборку данной мозгоподелки меня вдохновили такие робо-катера как UBC Sailbot и Scout, который кстати, совершил успешный трансатлантический рейс.

Весь процесс создания катера с автопилотом занял у меня более года, и за это время я приобрел много знаний по теории автопилотирования и схемотехники, и думаю, что в один прекрасный день я применю их на настоящем катере моего отца.

Окончательная, завершенная версия катера с автопилотом основывается на решениях трех прототипов, первый из которых самый простой по схеме и коду, остальные более доработанные. Финальный катер представляет собой полнофункциональную радиоуправляемую модель, которая успешно плавает по глади пруда, что я постарался отобразить на фото. Эта версия хотя и окончательная, но может быть доработана и усовершенствована, как с точки зрения кода, лодку нужно научить следовать маршруту, а не просто от точки к точке, так и с точки зрения электроники, можно поставить акселерометр, чтобы он компенсировал наклон от компаса.

Шаг 1: Видеопрезентация

Небольшое видео обозначит направление этого мозгопроекта:

Шаг 2: Прототип 1

Первый катер, то есть прототип 1, был самый простой по исполнению и должен был уметь:

• считывать GPS-координаты своего положения
• считывать азимут с компаса
• управлять сервоприводом руля
• использовать руль для следования курсу

А так же на нем я тестировал формулы маневрирования для создания действующего автопилота. Основой прототипа 1 был микроконтроллер Arduino Uno, в финальной версии я использовал ATmega328.

Чтобы получать данные с компаса я использовал HMC5883L, который легко подключается к микроконтроллеру через I2C. Как именно он устанавливается и как с ним работать хорошо описано здесь и здесь.

Управление сервоприводом руля

Контролировать сервопривод руля с помощью Arduino очень легко, но если только вы не используете библиотеку SoftwareSerial, которая нужна для TinyGPS ++, и которая конфликтует с одним таймеров Arduino! Запущенная SoftwareSerial мешает работе любого сервопривода использующего стандартную библиотеку, и решением данного мозгоконфликта является использование библиотеки PWM Servo library.

Формулы алгоритма автопилотирования

В прототипе 1 я применил несколько функций, которые позднее станут критичными. Эти функции используют формулу Хаверсина для расчета таких параметров как расстояние между двумя точками, направления от одной точки к следующей и реальный азимут по данным компаса. Более подробно об этих формулах в этой статье.

Компоненты первого прототипа я разместил на деревянном каркасе (см. фото), и теперь, зная положение этого каркаса-автопилота и сравнивая с заданным, можно поворачивать руль и сохранять заданный маршрут. Это будет полезно в дальнейшем для навигации по GPS-координатам.

Шаг 3: Прототип 2

Довольный результатами первой поделки я решил создать прототип 2 с программными доработками автопилота. Целями для второй самоделки были:

• плавание по заданным GPS-кооддинатам
• работа автопилота от аккумулятора
• тестирование и запись данных автопилота

Конструкция автопилота также претерпела некоторые изменения — была добавлена макетная плата ProtoSheild, на которую я установил сам Arduino и компас. Все компоненты смонтировал на фанерное основание и “упаковал” в пластиковый контейнер.

В этот же контейнер я попытался добавить приемник дистанционного управления, но безуспешно из-за нехватки свободного места.

Плавание по заданным GPS-кооддинатам

Код для Arduino я написал таким образом, чтобы он поворачивал руль по направлению к следующей точке заданного маршрута: используя GPS-координаты для вычисления соотношений последующих точек и сравнивая их с компасом, вычисляется поворот руля. Если вычисленное значение правее, на 90 градусов, то руль повернется на 60 градусов. Если вычисленное значение левее, на 270 градусов, то руль повернется на 120 градусов. Если же значение находится между 330 и 30 градусами, то руль будет поворачиваться экспоненциально сохраняя положение прямо.

Все это будет происходить в цикле, примерно так (этот код обобщенный):

Пояснение кода таково: если расстояние между катером и следующей точкой более 5 метров, то складывая азимут катера и азимут следующей точки, получается действительный азимут, оба азимута посылаются функции the RudderTurn function, которая вычисляет нужный угол поворота и соответственно поворачивает мозгоруль.

Запитать Arduino от аккумулятора довольно просто. Для этого на микроконтроллере есть контакт Vin, и на него можно подать до 20В постоянного тока. У меня была литиевая батарея на 12.6В, к которой я припаял разъем и подключил ее к контакту Vin на Arduino.

Шаг 4: Тестирование прототипа 2

Для того чтобы проверить прототип в действии я установил два светодиода, первый из которых будет светиться когда зафиксируется GPS-координата, а второй, когда будет достигнута эта точка.

Пробы своего автопилота я проводил на местном поле. К своему ноутбуку я подключил автопилот и запустил последовательный монитор (часть программного обеспечения Arduino), который записывал GPS-координаты все время следования по заданным точкам. Я пользовался рулем который направлял меня к следующей точке, и я поворачивал, словно это был мозгокатер.

На представленных фото обозначен маршрут тестов. Если я оказывался ближе чем 5 метров к нужной точке, то автопилот переключался и начинал навигацию к следующей точке. В процессе этих тестов код поделки претерпел довольно много незначительных изменений.

Для конвертации последовательного текста в путь Google Earth, я импортировал текст в Excel, сохранив файл и далее следуя указаниям Earthpoint, преобразовывал файл в формат KML.

Шаг 5: Первое судно

Судно, которое я сделал первым для этого проекта, было больше экспериментом, чем действующим прототипом. Просто я хотел посмотреть, смогу ли я создать функционирующий аэроглиссер самостоятельно или придется покупать.

Шаг 6: Модифицированный катер

А теперь снова вернемся к чертежам катера! На известном онлайн-ресурсе я купил новый катер. В комплект к нему входили никель-металл-гидридный (Ni-MH) аккумулятор на 7.4В, зарядное устройство, передатчик и плата приемника. С передатчиком возникли небольшие проблемы — нужно было найти 12 батареек АА, и я остался разочарованным не работающим катером. Но, для проекта это не критично и я продолжил.

Я выпаял два Н-канальных MOSFET-транзистора из цепи приемника, они пригодятся позднее. После этого обрезал все провода и загерметизировал горячим клеем все щели и трещинки, которые нашел в корпусе катера.

Два двигателя катера имели сложную систему охлаждения — очень шумный пропеллер, который нагнетал воздух на двигатели, еще на моторах стояли шунтирующие конденсаторы, и оба этих момента работали в мою пользу. А вот для маленького переключателя на верхней стороне мозгокатера я не нашел более достойного применения.

Далее встал вопрос безопасного размещения прототипа и для его решения я использовал небольшую досочку к низу которой, в районе двигателей, приклеил деревянную палочку, а еще к доске и к корпусу катера приклеил застежку-липучку, удерживающей силы которой хватит для “спасения” автопилота при переворачивании катера.

Шаг 7: Прототип 3

Одним из недостатков двух предыдущих прототипов была медленная скорость обновления, то есть скорости реакции. Руль недостаточно быстро реагировал на изменение маршрута и этот момент был включен в список целей и задач нового прототипа:

• увеличение скорости реакции автопилота
• добавление контроллеров моторов
• программирование совместной работы двигателей
• установка приемника

Увеличение скорости реакции

Единственный минус библиотеки TinyGPS ++ это медленность. Проблема в том, что Arduino Uno не может выполнять две вещи одновременно (в принципе может, на деле — нет). Простым решением может стать еще один микроконтроллер Arduino, который с помощью библиотеки TinyGPS ++ будет обрабатывать данные GPS, а затем отправлять параметры на первый микроконтроллер автопилота. Но у меня не было еще одного Arduino.

Arduino Uno это, по существу, чип ATmega328 и еще несколько дополнительных компонентов. Зная это можно создать свой собственный Arduino на макетной плате. И для этого есть хорошее мозгоруководство.

К собранному самостоятельно Arduino, так же как и “старый” модуль, я подключил новый GPS-модуль Ublox NEO-6M. Для программинга самодельного Arduino использовал библиотеку Bill Porter’s Easy Transfer library, а “связал” оба микроконтроллера одиночным проводом, то есть односторонним последовательным соединением. Этот самодельный Arduino повысил скорость реакции автопилота с 4 Гц до 50 Гц!

Добавление контроллеров двигателей

Мне очень понравилась плата ProtoSheild для Arduino Uno, которую я использовал, но оказалось, что она не имеет достаточного пространства для крепления двух контроллеров двигателей. Поэтому я убрал эту мини-плату, и поставил другую, больших размеров.

Электроцепь контроллеров двигателей проста: МОП-транзистор (MOSFET), с помощью ШИМ, контролирует среднее напряжение, идущее к двигателю. Резистор 1кОм ограничивает силу тока чтобы не перегорел Arduino, а резистор 10кОм удерживает MOSFET закрытым, когда отсутствует входящий сигнал.

Программирование взаимодействия моторов

У данного катера отсутствует штурвал, то есть руль, и вместо него для управления используется два мотора. Их то я и решил задействовать, а не устанавливать сервомотор для управления. Контроллеры моторов я уже собрал, осталось только запрограммировать Arduino для управления этими контроллерами.

Программирование я начал с написания макета программы в начал с Visual Studio. По мере написания я отладил код, и в конце концов добился взаимодействия двигателей. Оставалось только переделать код с VS на Arduino, но это не трудно, так как языки C # и C ++ очень близки.

Установка приемника радиоуправления

На прототип я смонтировал приемник ДУ для ручного управления самоделкой. Это тоже довольно просто сделать, нужно лишь считывать входящие значения функцией pulseIn и “научить” реагировать автопилот на эти значения.

Прототип автопилота я установил внутри катера, подключил двигатели к контроллерам и запрограммировал маршрут плавания по местном пруду. После прохождения трех точек, поделка перестала работать и “сгасла”. Оказалось, что высокое напряжение от аккумулятора (12 В) “спалило” регуляторы напряжения 5 В.

( Специально для МозгоЧинов #Boat-Autopilot

Источник