XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка и исследование учебной модели локационной системы для подготовки судового электромеханика

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Курбанов А.Д. 1

---

1Каспийский институт морского и речного транспорта им.ген-.адм.Ф.М.Апраксина – филиал ФГБОУ ВО «ВГУВТ», гр. 13 ЭМ

Маркова И.А. 1

---

1Каспийский институт морского и речного транспорта им. ген.-адм. Ф. М. Апраксина — филиал ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

Работа в формате PDF

587.6 KB

Введение

При изучении физики и школьники, и студенты часто не понимают прикладного значения физических принципов, не видят связи между теоретическими знаниями и работой реальных технических систем. Теоретическая база радиолокации широко представлена в учебной литературе [3, 4, 7, 9]. Однако рассмотрение локационной системы с точки зрения судового электромеханика в литературе практически не представлена.

Судовая радиолокационная станция (РЛС) предназначена для обнаружения надводных объектов и берега в условиях плохой видимости, определения места судна, обеспечения плавания в узкостях, предупреждения столкновений судов[2, 8]. Наличие РЛС на судне закреплено международным правом; основные нормы изложены в Конвенции СОЛАС и циркулярах Международной морской организации (ИМО) [1, 3]. Разработка учебной модели локационной системы позволит наглядно увидеть как физические принципы распространения волн реализуются в конкретном устройстве и рассмотреть типовые действия электромеханика по первичному поиску неисправностей судового оборудования.

Таким образом, тема напрямую связана с обеспечением безопасности мореплавания и актуальна для судового электромеханика.

Цель проекта – изучить физические принципы работы РЛС, её устройство, функциональные возможности и особенности технического обслуживания, а также разработать и исследовать учебную модель локационной системы.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. раскрыть физические основы работы РЛС и их связь с профессиональными действиями электромеханика;

2. ознакомиться с основами технического обслуживания РЛС судовым электромехаником;

3. разработать и собрать действующую учебную модель локационной системы на базе ультразвукового датчика с визуализацией данных в программе Processing;

4. провести экспериментальное исследование модели, оценить её пригодность в качестве наглядного пособия.

Объект исследования – судовая радиолокационная система как элемент судового оборудования и объект технического обслуживания. Предмет исследования – физические принципы работы РЛС и процессы технического обслуживания, выполняемые судовым электромехаником, а также возможности учебной модели для формирования соответствующих профессиональных умений.

Практическая значимость: данный проект позволяет связать теоретические знания физики с реальными профессиональными задачами судового электромеханика.

Новизна работы: разработана и изготовлена действующая модель радара, предназначенная для использования в учебном процессе: обучения принципам локации.

В ходе работы использовались методы исследования: анализ, синтез, моделирование, экспериментальное исследование.

Глава 1. Физические основы работы радиолокационной станции

1.1. Физические принципы работы РЛС

Радиолокационная станция и радар – это не разные понятия, а одно и то же. РЛС - это русскоязычное название, а «радар» - английское сокращение от radio detection and ranging («радиообнаружение и измерение дальности») [7, 9].

В основе работы любой радиолокационной станции лежат фундаментальные законы физики и явления природы:

- Распространение радиоволн. Радиоволны - это электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью света. На больших расстояниях от источника они движутся практически прямолинейно, что позволяет точно определять направление на объект [9].

- Отражение радиоволн (эффект эха). Принцип работы РЛС основан на отражении радиоволн от объектов, особенно хорошо отражают радиоволны электропроводящие объекты - например, металлические корпуса судов [9].

- Импульсный метод измерения расстояния. РЛС работает в импульсном режиме: передатчик излучает короткие мощные импульсы радиоволн; затем следует пауза, во время которой приёмник «слушает» отражённый сигнал; расстояние до объекта вычисляется по формуле D = c·t/2, где D - расстояние до цели (м), c - скорость света (м/с), t - время между отправкой и приёмом сигнала (с). Деление на 2 необходимо, потому что сигнал проходит путь до объекта и обратно [9].

- Пеленгация (определение направления). Направление на объект определяется по ориентации антенны в момент приёма эхо-сигнала [7].

- Эффект Доплера (измерение скорости). В современных РЛС с функцией САРП (системы автоматической радиолокационной прокладки) используется эффект Доплера [8]: если цель движется, частота отражённого сигнала меняется: при сближении - увеличивается, при удалении - уменьшается.

- Направленное излучение и приём. Для концентрации энергии в нужном направлении используются направленные антенны [7].

- Рассеяние и затухание. При распространении радиоволн в реальной среде происходят потери энергии [7]: затухание в атмосфере (дождь, снег, туман); рефракция (искривление траектории из-за неоднородности атмосферы); интерференция (сложение прямых и отражённых волн); дифракция (огибание препятствий); отражение от морской поверхности (создаёт помехи при волнении).

Эти физические принципы позволяют судовой РЛС выполнять основные функции: обнаружение объектов, измерение расстояния и направления, определение скорости движения целей, обеспечение безопасности мореплавания в любых условиях видимости.

1.2. Устройство судовой РЛС

Судовая РЛС - это сложный комплекс, состоящий из нескольких ключевых блоков [7; 8]:

- Передатчик - генерирует мощные СВЧ-импульсы (на основе магнетрона или твердотельного генератора) .

- Антенна - излучает импульсы в узком луче и принимает отражённые сигналы.

- Дуплексер - переключает антенну между режимами «передача» и «приём».

- Приёмник - усиливает и преобразует отражённый сигнал.

- Процессор - вычисляет расстояние и направление, анализирует доплеровский сдвиг.

- Дисплей - отображает радиолокационную обстановку.

Рис.1 Блок-схема судового радиолокатора

1.3. Типы судовых радаров и их особенности

На судах используются два основных типа радаров: X-band и S-band [3; 7]. Они имеют различия в характеристиках, которые определяют их эффективность в конкретных ситуациях.

В прибрежных районах и портах предпочтительны X-band-радары для детального обзор. В открытом море и при неблагоприятных погодных условиях лучше использовать S-band-радары. На некоторых судах устанавливают оба типа радаров, чтобы сочетать преимущества каждого.

Современные радары часто интегрированы с другими системами [7; 8]: САРП (система автоматической радиолокационной прокладки); ЭКНИС (электронная картографическая система).

РЛС играет ключевую роль в обеспечении безопасности [2]. Однако важно помнить об ограничениях [10]: «мёртвая зона» (30–120 м); сложность обнаружения малых объектов; человеческий фактор (ошибки интерпретации данных).

1.4. Техническое обслуживание судового радара электромехаником

Согласно профессиональному стандарту «Электромеханик судовой» [4; 6], в обязанности специалиста входит техническое обслуживание электрооборудования, средств автоматики, навигации и связи судна. В рамках этой функции электромеханик выполняет следующие задачи.

Ежедневные проверки: визуальный осмотр антенны и кабелей (отсутствие повреждений, коррозии); проверка питания и заземления.

Периодическое обслуживание (раз в 1–3 месяца): очистка антенны; проверка контактов и соединений.

Ремонт и диагностика: замена вышедших из строя блоков (передатчика, приёмника, индикатора).

Важные правила безопасности: работать только при отключённом питании; использовать инструменты с изоляцией; соблюдать меры защиты от СВЧ-излучения (не находиться перед антенной во время работы).

При этом обслуживание сложных компонентов радара (например, магнетрона) может потребовать привлечения внешних сервисных компаний.

Глава 2. Разработка учебной модели локационной системы

2.1. Принципиальная схема сборки

Для создания учебной модели локационной системы использованы следующие компоненты (таблица 1).

Таблица 1 - Компоненты учебной модели

Порядок сборки:

1. Установить ультразвуковой датчик HC-SR04 на кронштейн, закреплённый на валу сервопривода.

2. Подключить питание и управляющие выводы датчика к Arduino согласно схеме.

3. Подключить сервопривод к Arduino: питание - к 5V, земля - к GND, сигнальный вывод - к Pin 11.

4. Загрузить скетч в Arduino через USB-кабель.

5. На ПК запустить среду Processing и открыть скетч визуализации.

6. Проверить соответствие COM-порта в Processing и в диспетчере устройств ОС.

7. После запуска сервопривод начнёт поворот от 15° до 165° и обратно, датчик - измерять расстояние на каждом шаге, на экране ПК - отображаться радарная картинка в реальном времени.

Структурная схема модели представлена в Приложении 1.

2.2. Программное обеспечение модели

Программное обеспечение модели состоит из двух частей: скетч для микроконтроллера Arduino (управление датчиком и сервоприводом, передача данных) и скетч для среды Processing (визуализация радарной обстановки на экране ПК).

Arduino управляет вращением сервопривода, на каждом шаге измеряет расстояние датчиком HC-SR04 и передаёт пару значений (угол, расстояние) в последовательный порт. Processing читает данные из COM-порта, строит радарный экран: концентрические дуги - шкала дальности, линии - угловые секторы, красная точка - обнаруженный объект.

2.3. Экспериментальное исследование модели

С моделью были проведены следующие испытания:

1. Знакомство с принципом эхо-локации: наблюдение и обнаружение объекта.

2. Измерение дальности: размещение объекта на разных расстояниях.

3. Влияние материала на отражение: объекты из металла, пластика.

4. Моделирование помех: включение вентилятора, фиксация искажения.

5. Имитация обрыва линии.

6. Имитация пропадания питания

7. Имитация заклинивания антенны.

Заключение

В ходе выполнения проекта были достигнуты следующие результаты.

Раскрыты физические основы работы судовой радиолокационной станции, приведены сведения о техническом обслуживании РЛС, разработана, собрана и протестирована действующая учебная модель локационной системы на базе ультразвукового датчика HC-SR04, микроконтроллера Arduino и сервопривода SG90 с визуализацией данных в среде Processing. Модель воспроизводит ключевые функции судовой РЛС: сканирование пространства, измерение дальности, определение угла, отображение обстановки на радарном экране.

Проведено экспериментальное исследование модели, имитированы типовые отказы оборудования, что приближает обучение к реальным условиям.

У модели обнаружены такие сходства с настоящим радаром как:

• Принцип действия. И ультразвуковой датчик, и радиолокатор работают по принципу эха.

• Сканирование пространства. Вращение датчика имитирует сканирование пространства антенной радара.

• Отображение данных. Визуализация в Processing повторяет классический вид радарного экрана: концентрические круги, вращающаяся линия, сегменты - обнаруженные объекты, цифровые индикаторы - угол и дистанция.

• Реакция на препятствия. Система обнаруживает объекты, определяет их положение (угол + дальность) и отображает их на экране - как и настоящий радар.

• Динамическое обновление. Экран обновляется в реальном времени, показывая изменение положения объектов.

Ключевые отличия от реального радара:

• используется ультразвук (не радиоволны);

• дальность ограничена (до 20 см против десятков миль у судовой РЛС);

• меньшая точность и чувствительность;

• упрощённая обработка сигналов.

Ультразвуковой радар эффективно симулирует основные функции настоящего радара.

При этом он не заменяет профессиональный радар из‑за ограничений ультразвука (малая дальность, зависимость от среды, низкая скорость сигнала ≈ 343 м/с). Однако такая система идеально подходит для:

• обучения принципам радиолокации;

• демонстрации работы датчиков и визуализации данных;

• создания интерактивных проектов.

Таким образом, цель проекта достигнута: разработанная учебная модель локационной системы формирует у курсантов практические навыки, соответствующие трудовым функциям судового электромеханика. Модель может быть рекомендована для внедрения в образовательный процесс при изучении тем дисциплины «Физика»: Применение электромагнитных волн. Радиолокация. Свойства электромагнитных волн. Ультразвук и его применение. Свойства ультразвука.

Список источников и литературы

1. Международная конвенция по охране человеческой жизни на море (СОЛАС-74): глава V, правило 19. — Текст: электронный // IMO: официальный сайт Международной морской организации. — URL:  https://www.imo.org/ru/about/conventions/pages/international-convention-for-the-safety-of-life-at-sea-%28solas%29,-1974.aspx  (дата обращения: 12.12.2025).

2. Международные правила предупреждения столкновений судов в море (МППСС-72): правила 5, 7, 19. — Текст: электронный // IMO. — URL: https://docs.cntd.ru/document/1901005?ysclid=mue5sx2z5149886264  (дата обращения: 12.12.2025).

3. Афанасьев, В. В. Судовые радиолокационные системы / В. В. Афанасьев, А. Н. Маринич, А. В. Припотнюк, Ю. М. Устинов. — Санкт-Петербург: Веленара, 2009. — 366 с. — ISBN 978-5-903742-05-7. — Текст: непосредственный.

4. Дуров, А. А. Судовая радиолокация. Судовые радиолокационные системы и САРП / А. А. Дуров, В. С. Кан, Н. Т. Ничипоренко, Ю. М. Устинов. — Петропавловск-Камчатский : КамчатГТУ, 2006. — 214 с. — Текст: непосредственный.

5. Радиолокационная станция на судне. — Текст: электронный // ЦИР Санкт-Петербург: [https://cirspb.ru/blog/info-navigation/radiolokatsionnaya-stantsiya-na-sudne/?ysclid=mue7hlorfi937470823]. — URL:  (дата обращения: 12.12.2025).

6. Профессиональный стандарт «Электромеханик судовой» : утв. приказом Минтруда России от 15.06.2020 № 331н. — Текст: электронный // КонсультантПлюс. — URL: www.consultant.ru   (дата обращения: 12.12.2025).

7. Березенцев, Ю. С. Основы радиолокации и устройство судовых РЛС : учебное пособие / Ю. С. Березенцев. — Новосибирск : НГАВТ, 2010. — 107 с. — ISBN 978-5-8119-0423-5. — Текст: непосредственный.

8. Байрашевский, А. М. Судовые радиолокационные системы: учебник / А. М. Байрашевский, Н. Т. Ничипоренко. — Москва: Транспорт, 1973. — 351 с. — Текст: непосредственный.

9. Финкельштейн, М. И. Основы радиолокации : учебник для вузов / М. И. Финкельштейн. — Москва : Советское радио, 1973. — 496 с. — Текст : непосредственный.

10. Берман, Я. И. Судовые радиолокационные станции и их применение: справочное руководство: в 3 т. / Я. И. Берман, В. И. Власов, Н. Л. Коган [и др.]; под ред. В. И. Ракова. — Ленинград: Судостроение, 1969–1970. — Текст: непосредственный.

Приложения

Приложение 1. Принципиальная схема модели

Приложение 2. Фотографии собранной модели и скриншоты визуализации

Фото 1.

Фото 2.

Фото 3.

Фото 4.