Самоуправляемый механизм

Самоуправляемое устройство — это оборудование, используемое на парусных лодках для поддержания выбранного курса или точки плавания без постоянного вмешательства человека.

История

Механическое или « флюгерное » самоуправление возникло как способ удерживать модели парусных лодок на курсе. До появления радиоуправления гонки на модельных яхтах (начавшиеся еще до Первой мировой войны) обычно проводились на длинных узких прудах, а количество остановок вдоль берегов учитывалось как штраф в конечном результате. Первоначально была разработана система противовесов на румпелях, чтобы компенсировать погодный штурвал, когда модель лодки кренилась при порыве ветра. Эти грубые системы развились в более сложную систему, названную Braine Gear в честь ее изобретателя Джорджа Брэйна. Рулевой механизм Braine представлял собой тонко настроенную систему квадрантов на баллере руля, приводимую в движение натяжением шкота грота и демпфируемую резиновой лентой. Позже была разработана более сложная система, названная лопастным механизмом . Она основывалась на небольшом флюгере или аэродинамическом профиле, приводящем в движение главный руль направления через регулируемую систему часовых механизмов. Он был очень похож на более поздние автопилоты с лопастным приводом, которые можно было увидеть на трансатлантических яхтах, такие как Блонди Хаслера самоуправляемый руль . Некоторые трансатлантические моряки-одиночки использовали грубую форму самоуправляемых устройств, чтобы пересечь Атлантический океан в 1920-х и 1930-х годах, наиболее известным из которых был француз Марин Мари (Поль Марин Дюран Куппель де Сен-Фронт), который дважды пересек Атлантику в 1930-х годах, сначала на парусная яхта Winnibelle II моторная лодка Arielle и, во-вторых , .

Самоуправление на борту Winnibelle II во время перехода через Атлантический океан из Дуарнене , Франция, в Нью-Йорк в 1933 году было чем-то похоже на механизм Braine: в нем использовались сдвоенные стаксели (Trinquettes jumelles), шкоты которых были соединены с рулем направления с помощью множества блоков и тросов. Winnibelle II с длинным килем была совершенно устойчива на курсе на крутом бейдевинде или в точках вылета по ширине, но самоуправляемая система двойного стакселя могла взять верх на более сложных участках с широкими плесами по ветру и в точках плавания.

На небольшой моторной лодке Arielle , 13-метровой лодке с 65-сильным дизельным двигателем французского производства Бодуэна, которая отправилась из Нью-Йорка в Гавр в 1936 году, задача управления моторной лодкой на волнах Атлантического океана была более сложной. У Ариэль было два руля направления; главный под корпусом, в гонке гребных винтов, предназначался для ручного управления, а меньший вспомогательный руль направления устанавливался на транце. Этот вспомогательный руль направления мог иметь механический привод с помощью специального флюгера, установленного на крыше кареты и состоящего из двух прямоугольных аэродинамических профилей, установленных под углом на вертикальной оси и уравновешенных противовесом. Он был прост и работал довольно хорошо, но не мог управлять лодкой при очень слабом ветре или штиле.

Пока Марин Мари оснащал Ариэль в Нью-Йорке, к нему подошел французский изобретатель по имени Казель и предложил бесплатно установить электрический автопилот его изобретения. Автопилот Casel использовал революционные на тот момент фотоэлектрические элементы и систему света и отражающих зеркал на магнитной компасной розе . Его принцип чем-то похож на современные электронные автоштурвалы, за исключением современного феррозондового датчика для системы автопилотов. Автопилот Casel, который включал в себя ряд зеленых, красных и белых контрольных лампочек, использовал электродвигатель для воздействия на главный руль направления. Хотя его основной принцип был надежным и пригодился на некоторых участках перехода, он оказался слишком легким для мокрой, вибрирующей маленькой лодки, и на нем было много проблем. Марен-Мари, хоть и был в некоторых случаях признателен, в целом ненавидел этот темпераментный прием, особенно когда он обнаружил, что Казель непреднамеренно спрятал свои запасы бордоского вина в отсеке автопилота, невольно обрекая его на полное трезвое пересечение Атлантического океана продолжительностью около 20 дней.

Электронный

Румпель-пилот на парусной лодке – простое электронное самоуправление.

Электронное самоуправление контролируется электроникой, работающей в соответствии с одним или несколькими входными датчиками, неизменно, по крайней мере, магнитным компасом, а иногда и направлением ветра или положением GPS относительно выбранной путевой точки. Модуль электроники рассчитывает необходимое движение руля, а механизм привода (обычно электрический, хотя в более крупных системах, возможно, гидравлический) заставляет руль направления двигаться соответствующим образом.

Существует несколько возможностей взаимодействия приводного механизма и традиционной системы рулевого управления. На яхтах наиболее распространены три системы:

• Прямой привод, при котором привод прикреплен к рулевому квадранту в верхней части баллера руля внутри лодки. Это наименее интрузивный метод установки.
• Крепление колеса, при котором двигатель устанавливается рядом с рулевым колесом и может быть задействован вместе с ним во время использования. Обычно это включает в себя либо ременную передачу, либо зубчатое кольцо, прикрепленное к самому колесу, и является распространенным вариантом для модернизированных установок на яхтах с колесом.
• Румпельные пилоты обычно являются единственным вариантом на небольших судах, управляемых с помощью румпеля . Они состоят из поршня с электроприводом, который установлен между румпелем и штуцером на боковой стороне кабины. Некоторые из них полностью автономны и требуют только источника питания, в то время как у других блок управления отделен от привода. Они довольно популярны, так как не требуют обслуживания и просты в установке.

Работа морского румпеля-лоцмана

В зависимости от сложности блока управления (например, румпель, прикрепленный к рулю картплоттер и т. д.), электронный самоуправляемый механизм может быть запрограммирован на удержание определенного курса по компасу, на поддержание определенного угла к ветру (так что плавание под парусом лодкам не нужно менять дифферент паруса), чтобы направиться к определенному положению или выполнить любую другую функцию, которую можно разумно определить. Однако количество энергии, необходимой электрическим приводам, особенно если они постоянно работают из-за морских и погодных условий, является серьезным фактором. Крейсеры дальнего следования, которые не имеют внешнего источника электроэнергии и часто не используют двигатели для движения, обычно имеют относительно строгий бюджет мощности и не используют электрическое рулевое управление в течение какого-либо периода времени. Поскольку для работы электронных систем автопилота требуется электричество, многие суда также используют фотоэлектрические (PV) солнечные панели или небольшие ветряные турбины на лодке. Это исключает дополнительное загрязнение и снижает затраты.

Механический

Яхта с выделенным самоуправляемым устройством

Самоуправляемый флюгер со вспомогательным рулем направления и сервоприводом триммера.

Основная цель механического самоуправляемого устройства — удержать парусник на заданном курсе навстречу вымпельному ветру и освободить рулевого от работы по рулевому управлению. Преимущественным побочным эффектом является то, что паруса удерживаются под оптимальным углом к ​​вымпельному ветру и тем самым обеспечивают оптимальную движущую силу. Даже на парусных лодках, работающих под двигателем, можно использовать саморулевой механизм, чтобы удерживать судно курсом против ветра, чтобы легко устанавливать или менять паруса (исключение: принцип «шкот-румпель»).
В качестве датчиков направления ветра используются
а) флюгер, установленный на оси, более или менее наклоненной к горизонту (флюгер самоуправляемый)
б) давление ветра в парусе(ах) и, тем самым, сила на шкоте (самоуправление шкота и румпеля).

Различные механические принципы механической связи изменения направления вымпельного ветра с приводом изменения курса (рулем направления) можно грубо сгруппировать:

• Системы тримм-таба ( сервопривод Флеттнера ), флюгер, соединенный с небольшим закрылком, прикрепленным к основному рулю направления, вспомогательному рулю направления или маятниковому рулю направления с сервоприводом.
• Флюгер к вспомогательному рулю направления (Windpilot Atlantik, Hydrovane) с флюгером, напрямую соединенным со вспомогательным рулем направления.
• Флюгер к рулю направления (применимо только для очень маленьких лодок, большой флюгер напрямую соединен с рулем корабля).
• Следящий маятниковый руль направления (флюгер поворачивает погруженную лопасть вокруг вертикальной оси, лопасть отклоняется в сторону за счет движения по воде и вместе с этим поворачивает руль корабля).
• Сервомаятник со вспомогательным рулем направления (как указано выше, но лопасть сервомаятника действует на вспомогательный руль направления, а не на руль корабля).
• От шкота к румпелю (нагрузка пружины на румпель противодействует тяговой силе фочного и/или шкота главного паруса).

Современные автопилоты

Механические саморулевые агрегаты производятся рядом производителей, но большинство систем, выпускаемых сегодня, используют один и тот же принцип (маятниковый руль направления с сервоприводом, см. Ниже). Помимо потребности в электроэнергии, многие круизеры дальнего плавания отмечают, что электронное самоуправляемое оборудование сложное и вряд ли поддается ремонту без запасных частей в отдаленных районах. . Напротив, лопастной механизм дает, по крайней мере, возможность импровизированного ремонта в море и обычно может быть восстановлен на суше с использованием неспецифических деталей (иногда сантехнических деталей) местным сварщиком или слесарем. . Чтобы свести к минимуму потерю скорости из-за механизма автоматического рулевого управления, важно, чтобы паруса судна были сбалансированы с небольшой нагрузкой на руль направления, прежде чем предприниматься какие-либо попытки включить автоматическое рулевое управление. При правильной дифферентации парусов баланс сил сервовесла и основного или вспомогательного руля минимизируется таким образом, что достигаются наименьшие углы атаки руля и сервовесла по отношению к потоку воды. Однако обычно необходимы некоторые эксперименты и суждения, чтобы определить правильные настройки для данного судна и рулевого механизма. Популярный источник О современной флюгерной технологии можно прочитать в «Справочнике по самоуправляемому флюгеру» . Один особенно ценный вклад Основой книги Морриса является его освещение различных сплавов, используемых в производстве лопастных шестерен. Моррис признается, что у него есть практика устанавливать кухонный таймер на полчаса и спать, пока флюгер управляет штурвалом, даже при встречном ветре от 25 до 35 узлов. В недавнем интервью он рассказал, что однажды, когда он спал на своем парусном судне по Красному морю, его едва не сбило огромное грузовое судно. Моррис отмечает: «Автопилот не имел бы никакого значения в этом случае. Если бы я использовал электронный автопилот, то грузовое судно все равно было бы там. Я сделал выбор проплыть две трети своего кругосветного плавания в одиночку». , и я принял на себя риски, связанные с этим решением, думаю, судьба была на моей стороне».

Триммер

В прежних сервосистемах с триммером поворотное движение серволопасти вокруг его вертикальной оси осуществлялось сервоязычком триммера , что, однако, требует некоторого усилия из-за того, что триммер перемещается в противоположном направлении. чтобы повернуть лезвие сервопривода. То же самое касается и триммера, который установлен на большом расстоянии позади руля корабля и соединен с ним своим верхним и нижним концом. Эта конструкция называется «Ригг Сайе». используется триммер, свисающий Другая версия флюгера с автоматическим рулевым управлением на парусных лодках известна как флюгер с вертикальной осью, и обычно из-за меньшей выходной рулевой силы по сравнению с сервомаятниковыми устройствами для управления курсом лодки с руля направления. . Флюгер вращается под прямым углом к ​​земле и может зафиксироваться на триммере в любом желаемом положении. Когда лодка падает с ветра, флюгер будет повернут ветром и унесет с собой триммер, что, в свою очередь, приведет к срабатыванию руля направления. двигаться в противоположном направлении и таким образом корректировать курс. Обычно такое автоматическое рулевое управление с триммером можно использовать только на лодках с транцевыми (или кормовыми подвешенными двойными рулями) рулями, поскольку триммер должен быть установлен непосредственно на руле направления и позади него для достижения желаемого эффекта, и, конечно же, приходится контролировать даже тогда, когда руль направления раскачивается из стороны в сторону. Обычно это достигается за счет использования стержня с прорезями, в котором соединение с узлом лопатки может вставляться при повороте руля направления. Эти системы самоуправления, как правило, проще, и, следовательно, их легче устанавливать и корректировать курс, поскольку они не используют стропы, управляющие рулем направления, а управляют им более непосредственно через прочные связи. Подобное устройство использовалось на некоторых ветряных мельницах : ветряная мельница , небольшая ветряная мельница, установленная под прямым углом к ​​гроту, которая автоматически поворачивает тяжелую шапку и грот-паруса против ветра (изобретано в Англии в 1745 году). (Когда ветер уже направлен прямо в основные лопатки, веерный хвост остается практически неподвижным.)

Флюгер к вспомогательному рулю направления

Лишь немногим производителям удалось создать системы, которые управляют вспомогательным рулем направления непосредственно от флюгера (несервосистемы: Windpilot Atlantik, Hydrovane); На показанном изображении флюгера используется этот принцип с большим тканевым флюгером на вертикальной оси (преимущественно используется флюгер с почти горизонтальной осью).

Сервомаятниковый руль направления

Самая распространенная форма автоматического управления, маятник с сервоприводом, была введена для управления мощностью, необходимой для управления более крупным рулем направления, и стала преемником принципа триммера с сервоприводом (представленного Гербертом «Блонди» Хаслером ). Общим для всех систем маятниковых рулей с сервоприводом (весла, лопасти) является тот факт, что скорость лодки в воде используется для усиления небольшой силы, исходящей от флюгера, чтобы иметь возможность повернуть руль направления. Лопасть сервопривода может поворачиваться по вертикальной оси и подвешиваться как маятник . При его повороте вокруг своей вертикальной оси поток воды создает боковую силу на область лопасти, а мощное поворотное движение в сторону используется для воздействия на руль (корабельный или вспомогательный руль направления интегрирован в систему). Узкая вертикальная доска, называемая флюгером, установлена ​​на держателе почти горизонтальной оси, который сам вращается вокруг своей вертикальной оси, так что при движении лодки в желаемом направлении флюгер находится вертикально и обращен к ветру ребром. Флюгер уравновешивается небольшим грузом под шарниром, но если лодка повернется так, что доска больше не будет обращена к ветру, ее снесет в одну сторону, поскольку обнажится дополнительная площадь поверхности. Это движение передается с помощью ряда связей на лопасть (или весло) в воде, так что весло поворачивается вокруг своей вертикальной оси, когда флюгер поворачивается из нейтрального положения. Когда лезвие, описанное выше, поворачивается, давление воды, проходящей мимо него, заставляет его отклоняться в сторону на конце поворотного стержня. Погружаемая площадь 0,1 м ² при длине рычага 1 м при скорости лодки 2,5 м/с (около 5 узлов) и угле атаки 5° уже создается момент 180 Н⋅м, когда весло имеет профиль NACA0012. Усилие рулевого управления сервовеслом передается на главный руль направления, обычно включающий в себя две стропы и четыре или более роликов для направления рулевых тросов к штурвалу или рулевому колесу.

Современные сервомаятниковые самоуправляемые устройства с оптимизированной трансмиссией и механикой с низким коэффициентом трения все чаще используются для дневного плавания и круизов; раньше использовался в основном для океанских переходов на большие расстояния. Повышенные возможности оптимизированных современных устройств при слабом ветре позволяют управлять судном при вымпельной скорости ветра до 1,3 м/с и скорости лодки до 1,5 узлов. – свойства, которые делают электронное рулевое устройство практически ненужным и позволяют преодолевать застойные ситуации с помощью флюгера с самоуправлением. Все большее число моряков, участвующих в регатах на длинные дистанции, используют флюгерное самоуправление, поскольку паруса всегда удерживаются под оптимальным углом к ​​ветру, и, следовательно, скорость лодки поддерживается на максимально возможном уровне.

Математическое описание сервопривода горизонтального флюгера охватывает связь ошибки курса с установившимся углом руля направления для коррекции ошибки курса. Динамика описывается уравнениями связи силы и импульса. В основном используются три различных принципа механической трансмиссии: шарнир Мюррея, коническая шестерня 90°, Z-вал, которые из-за своей геометрии имеют различное изменение рулевого усилия при изменении отклонения курса.

Сервомаятник со вспомогательным рулем направления

В случаях, когда чисто сервомаятниковое саморулевое устройство невозможно использовать (гидравлический рулевой механизм, для поворота руля требуется очень большое усилие), используются вспомогательные системы руля. Они состоят из маятникового руля направления с сервоприводом, соединенного непосредственно со вспомогательным рулем направления, который является частью системы автоматического управления. Главный руль направления в этом случае используется для «триммирования» основного курса, а саморулевой механизм управляет «вокруг» этого основного курса в соответствии с изменениями вымпельного ветра.

Лист к культиватору

Помимо широко распространенного механического самоуправления за счет флюгера, механически соединенного с рулем направления или маятникового руля направления с сервоприводом, существует принцип механического самоуправления, называемый «лист к румпелю». Именно таким способом Ролло Гебхард пересек Атлантику на своем «Сольвейге» длиной 5,6 м. Самоуправление «шкот-румпель» состоит из соединения подпружиненного румпеля и шкота, использующего силу ветра в парусе для управления лодкой.

События

В течение довольно долгого времени коммерчески доступные системы автоматического управления мало развивались. Большинство новых разработок представляло собой системы самостоятельной сборки. Решающую роль сыграл Уолт Мюррей, американец, опубликовавший свои разработки на своем веб-сайте. и голландец Ян Алкема, который разработал новый флюгер, так называемый перевернутый флюгер (для краткости в долларах США, коммерчески доступный только у двух брендов) и новый вид маятниковой системы с сервоприводом, которую можно было установить на лодки с подвешенным на транце рулем направления. За это последнее изобретение Ян Алкема был награжден премией Джона Хогга-Прайса от AYRS (Общества исследования любительских яхт) в 2005 году. Ян Алкема опубликовал множество своих изобретений на веб-сайте Уолта Мюррея.

Йорн Генрих добавил в 2010 году механизм использование угла крена лодки при подветренной стороне для корректировки угла атаки сервопривода весла, что увеличивает устойчивость курса и снижает риск брейчинга при попутном волнении. Йорн Генрих также опубликовал механизм который использует плавник в воде для компенсации изменения вымпельного ветра во время ускорения/замедления многокорпусных яхт с большим потенциалом скорости, таких как катамараны и тримараны, при порывах ветра. Генрих применяет собственное программное обеспечение для параметрического моделирования VaneSim. оптимизировать флюгерные саморулевые устройства в зависимости от свойств лодки.

Знаменитые самоуправляемые лодки

Некоторые известные самоуправляемые парусники включают:

• Сын ратуши , самоуправляемый мусорный плот , совершивший трансатлантический переход в 1998 году.
• Цыганский мотылёк IV

См. также

• Картплоттер
• Беспилотный надводный аппарат