Указатель курса ветра для обучения управления парусными судами

Актуальность

Парусные суда, составляющие малый процент всех водных судов, тем не менее пользуются определённой популярностью среди спортсменов и увлечённых людей. Управление таким судном осуществляется типом паруса, положением его относительно ветра и руля.

Для грамотного и безопасного управления парусным судном необходимо знать угол между носом судна и направлением ветра, в зависимости от которого для движения в заданном направлении нужно располагать поверхность паруса.

Основную сложность для новичков представляет определение данного угла и необходимых действий для движения заданным курсом. На данный момент существуют только импортные аналоги ветрового компаса, из-за чего стоимость достаточно высокая. Автором разработан ветровой компас из простых материалов, что обеспечивает низкую цену аппаратуры. Также в отличие от зарубежных аналогов проект способен давать подсказки в работе. В основном проект нацелен на обучение новичков, но может использоваться опытными мореплавателями для более точной установки курса.

Цель

Разработать систему определения направления ветра, предназначенную для помощи новичкам в парусной деятельности.

Задачи

1. Разработать алгоритм работы указателя курса ветра.
2. Подобрать необходимые компоненты для работы системы с учётом стоимости и качества.
3. Разработать программные модули, обеспечивающие работу с энкодером, обработку измеренных данных и вывод информации на дисплей.
4. Спроектировать корпус ветрового компаса и напечатать его на 3D-принтере. Найти подходящий корпус для блока управления.
5. Собрать макетный образец и проверить его работоспособность. Выявить возможные технические и программные ошибки.
6. Доработать проект с учётом дополнительных функций и условий эксплуатации.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Ноутбук с установленным ПО (Arduino IDE)
• 3D-принтер
• Токарный станок
• Паяльная станция «Зубр 55335»
• Набор ручных инструментов
• Микроконтроллер Arduino UNO
• Датчик угла поворота (абсолютный магнитный энкодер Bourns EMS22A50)
• Блок питания «QJ2002C»
• LCD-дисплей 20х4 с интерфейсом I2c
• Мультиметр «CEM DT-916»
• Осциллограф «АКИП 4115»
• Мощный вентилятор для эмуляции ветра

Описание

В ходе работы над проектом были пройдены следующие этапы.

1. Формулирование требования к устройству ветрового компаса и написание алгоритма работы устройства.
2. Подбор элементной базы.
3. Моделирование корпусов.
4. Печать корпусов и изготовление флюгера.
5. Сборка электроники приёмного дисплея.
6. Написание программного обеспечения.
7. Изготовление приёмного блока.
8. Проверка работоспособности на стенде
9. Установка ветрового компаса на парусном катамаране и испытания в реальных условиях.

На мачте катамарана крепился корпус ветрового компаса. Внутри корпуса был закреплён энкодер (датчик угла поворота), соединённый с флюгером через вал с подшипником. Энкодер формировал на выходе сигнал (код) угла поворота в диапазоне от 0 до 1023, что соответствует углам поворота от 0 до 360 градусов.

Посредством кабельного соединения сигнал с энкодера поступал на вход микроконтроллера Arduino UNO R3, расположенного в корпусе блока управления. В разработанной программе ветрового компаса осуществлялась конвертация кода угла поворота в необходимые значения в градусах. Затем эти данные обрабатывались и в зависимости от схемы ветров текущему направлению ветра приписывалось конкретное обозначение. Было принято решение о необходимом действии со шкотом для управления парусом.

Информация о направлении и наименовании ветра, о рекомендуемом действии с парусом выводилась на дисплей блока управления. Для вывода информации на русском языке (кириллица) дополнительно осуществлялся перевод данных в восьмеричную систему.

Результаты работы/выводы

Разработаны:

1. измерительный блок, представляющий собой ветровой флюгер с энкодером и корпусом,
2. электронный компонент (дисплей),
3. испытательный стенд для проверки работоспособности устройства.

Собранная конструкция на стендовых испытаниях показала свою работоспособность. Устройство определяет угол между направлением воздушного потока и условным нулём направления на нос судна. По этим показаниям определяются название ветра и краткая рекомендация шкотовому по действиям для движения в заданном направлении.

Перспективы использования результатов работы

• Разработка беспроводного соединения корпуса компаса с блоком управления.
• Добавление анемометра для измерений скорости ветра.
• Доукомплектование динамиком и доработка программы для выдачи звуковых (голосовых) инструкций о действии с парусом.