Управляя стихией: Аэротруба
I Can Fly
Приветствую, Хабр!
В этой статье я хочу начать рассказ о своем опыте создания системы мониторинга, управления и автоматизации двух аэродинамических комплексов, расположенных в Хабаровске и Владивостоке. Прежде всего, поговорим о том, что такое аэротруба, для чего она нужна, как происходит полет, за чем важно следить в процессе и что может потребовать автоматизации. А в следующих частях углубимся в детали реализации, разберем нюансы взаимодействия с разными типами силовых установок, возникшие трудности и способы их решения.
Мне бы в небо…
Но для начала — пару слов о том, как появился этот проект. Бо́льшая часть моей жизни, как профессиональной, так и хобби, связана с программированием и электроникой.
Так уж сложилось (судьба, звезды или что‑то ещё), что последние лет десять меня непреодолимо тянет в небо. С реальной авиацией связать свою жизнь не получилось, момент был упущен, поэтому пришлось компенсировать другими способами. Сначала это было увлечение авиасимуляторами: не аркадными стрелялками, а процедурными тренажерами с реалистичной физикой и проработанными моделями. Потом неожиданно для себя я решил прыгнуть с парашютом. И мне это так понравилось, что я занимаюсь этим и по сей день. Очередным этапом приобщения к небу стала аэротруба, а именно — ее открытие в нашем городе.
После первого посещения стало ясно, что используемое оборудование морально устарело, владелец хотел новый функционал и более современный интерфейс, а существующее железо и софт для его конфигурирования предоставить этого не могли.
Интерфейс «старой» панели управления
Я уже давно хотел расширить свои профессиональные навыки и попробовать себя в мобильной разработке. Выбор пал на Flutter и разработку под Android. Почему именно Flutter? Привлекла возможность достаточно простой и гибкой настройки пользовательского интерфейса, визуальной составляющей. Ну и лозунг «Стильно, модно, молодежно» никто не отменял:). Как известно, лучший способ чему‑то научиться — это практика. Поэтому я искал задачу, на которой смогу применять новые знания. И аэротруба с ее потребностью к тотальному апгрейду (а по факту — разработке с нуля) оборудования рабочего места оператора, идеально подошла для этой цели.
Рожденный ползать летать не может?
Вернемся же к предмету данной статьи. В рассматриваемом контексте аэротруба или, выражаясь иначе, аэродинамический тоннель — это сооружение, главная задача которого — создать в полетной зоне поток воздуха такой скорости, чтобы он смог удержать парящего на нем человека. Для этой цели в аэротрубе есть силовая установка с винтом. В зависимости от размеров полетной зоны их может быть несколько.
Общая компоновка закрытой аэротрубы
Раньше в качестве силовой установки использовались дизельные двигатели, сейчас всё чаще устанавливают электрические, так как они компактнее, гораздо проще в обслуживании и удобнее в эксплуатации. Диаметр полетной зоны может варьироваться в пределах от 2.2 до 9 метров, при этом высота составляет от 8 до 25 метров.
Аэротруба — это не только аттракцион для любителей экстрима, но и полноценный спортивный тренажер. Полеты в трубе требуют хорошей координации, быстрой реакции и задействуют такие группы мышц, которые практически не используются в повседневной жизни. Именно поэтому новички после первого даже пятиминутного полета зачастую чувствуют себя как после часовой тренировки в тренажерном зале.
Базовым положением тела на потоке воздуха является положение «на животе». Таким способом летают как «перворазники», так и спортсмены. И это же положение считается самым стабильным и безопасным при прыжках с парашютом.
Базовое положение тела «на животе»
После успешного освоения базового положения можно переходить к обучению полетам на спине, далее — сидя, как на троне, и даже вниз головой.
Положения тела «бэк‑флай», «сит», «хэд‑даун»
Успешно освоив все основные положения тела, можно переходить к дисциплине «Фрифлай», которая является одной из дисциплин как аэротрубного, так и парашютного спорта. Фрифлай включает в себя множество различных поз и переходов между ними и является очень зрелищной и динамичной дисциплиной. Помимо индивидуальных, в аэротрубные дисциплины входит также групповая акробатика, заключающаяся в построении группой из 2–4 (и более) спортсменов определенных фигур за отведенное время.
От винта!
Рассмотрим более подробно то, как организован процесс подготовки к полету и непосредственно сам полет.
Первым делом наш без пяти минут орел облачается в защитный комбинезон, полностью закрывающий всё тело, а на ноги надевает удобную обувь на шнуровке. Последний момент весьма важен, так как поток воздуха со скоростью 200–250 км/ч весьма легко и непринужденно срывает с тела всё, что плохо закреплено. По этой же причине инструктор настоятельно рекомендует убрать из карманов всё лишнее, а также снять кольца, цепочки и сережки. Так как многие аэротрубы имеют замкнутый контур, то у сорванных вещей есть два пути, где первый — вернуться к вам в изрядно побитом и измельченном винтом и поворотными лопатками виде. Ощущения от такой встречи, учитывая скорость потока, вряд ли вам понравятся. Второй путь — вылететь через выпускные створки и улететь в неизвестном направлении.
После экипировки тренер проводит инструктаж, в ходе которого объясняет, как будет происходить полет, какое положение тела необходимо занять и как можно будет общаться с инструктором внутри полетной зоны. Дело в том, что закрытый шлем, беруши и свистящий вокруг воздух делают бесполезными попытки докричаться, поэтому общение производится с помощью жестов. Они весьма простые и интуитивно понятные, что, впрочем, не мешает людям напрочь забывать о них, как только они оказываются внутри. Забавно, что жест «расслабиться» (он еще показывается с покачиванием из стороны в сторону) часто вызывает весьма веселую реакцию у многих взрослых.
Примеры жестов для общения в аэротрубе
После завершения инструктажа экипировка дополняется берушами и закрытым защитным шлемом, и группа перемещается в предполетную зону. Она является шлюзом, предотвращающим перепады давления при смене участников в полетной зоне. В предполетной зоне также находится оператор, главная задача которого — управление режимами работы аэротрубы самостоятельно и по командам инструктора, находящегося в полетной зоне. И именно он и является основным пользователем системы, описываемой в статье.
Из предполетной инструктор поочередно приглашает гостей в полетную зону, где они и познают чувство полета. Хотя поначалу у большинства начинающих это выглядит как беспорядочное барахтанье, но уже к третьей‑четвертой минуте многим удается занять правильное стабильное положение. Как правило, общее полетное время каждого человека (если оно превышает пару минут) разбивается на заходы по 2–3 минуты, дабы дать возможность отдохнуть и немного привыкнуть к новым необычным ощущениям.
Управляем, наблюдаем, автоматизируем
Начнем с управления и мониторинга. Самый важный параметр, от которого зависит весь процесс полета — это частота вращения винта (вентилятора), нагнетающего воздух в полетную зону. Может выражаться в оборотах в минуту или в процентах. Суть от этого не меняется, и это больше дело привычки. Требуемая частота вращения зависит главным образом от веса и габаритов человека, желающего воспарить на потоке воздуха. Опытный инструктор может довольно точно визуально определить необходимую для данного человека частоту вращения винта. Специальными жестами он сообщает ее оператору, который, в свою очередь, устанавливает ее на пульте. И для объективности и повторяемости результата оператору нужно видеть текущую фактическую скорость вращения.
Пульт оператора аэротрубы во Владивостоке
Еще одним немаловажным моментом, связанным с частотой вращения, является способ передачи ее значения блоку управления двигателем. Дело в том, что базовым вариантом в применяемых контроллерах двигателей является аналоговое управление напряжением. С одной стороны это просто, с другой — несет в себе определенные проблемы: низкая точность, нестабильность ввиду механического износа потенциометра, отсутствие обратной связи и неудобство в организации коммуникации «пульт — блок управления двигателем». Необходимость перехода на цифровой способ управления напрашивалась сама собой.
Со скоростью разобрались, идем дальше. В первой аэротрубе силовая установка представляет собой дизельный турбированный двигатель, часто используемый на речных/морских судах и в дизель‑генераторных установках. Как и у любого ДВС, у него есть набор параметров, за которыми важно следить, если мы хотим, чтобы двигатель работал надежно и как можно дольше. В нашем случае это температура охлаждающей жидкости и масла, давление масла, давление топлива и воздуха в турбине. В случае с электродвигателем ключевыми параметрами являются потребляемый ток и температура двигателя. Важность мониторинга и своевременной сигнализации при выходе параметров за допустимые границы также связана с вероятностью аварийного останова, который будет весьма неприятным для находящихся в полетной зоне, если это случится неожиданно.
Каждый заход в полетную зону длится определенное заранее фиксированное время, соответственно, есть необходимость его отслеживать, а также быстро и удобно настраивать продолжительность следующего сета. Для этой цели в ПО пульта реализован блок таймера, а индикация выполняется двумя устройствами: дисплеем полетной зоны и флэшерем, о которых я еще расскажу более подробно в следующей части. Изначально с аэротрубой поставлялся отдельный таймер, управление которым осуществлялось кнопками на панели, а настройка времени — отдельным беспроводным пультом, что было крайне неудобно.
Дисплей полетной зоны
Блок автоматизации в настоящее время представлен подсистемой климат‑контроля. Как я уже упоминал выше, аэротрубы бывают открытого и закрытого типа. В первом случае воздух забирается снаружи, проходит через полетную зону и возвращается в атмосферу. Температура потока в полетной зоне в этом случае близка к температуре воздуха «за бортом». Из этого следует главный минус такого варианта — сезонность эксплуатации. Во втором случае воздух циркулирует по замкнутому контуру, нагреваясь в процессе, в основном за счет трения. Этот побочный эффект позволяет «бесплатно» подогревать воздух в контуре до относительно комфортных температур в холодное время года. Летом же этот эффект уже вреден, поэтому необходимо иметь возможность подмешивать в контур наружный воздух. Это реализуется с помощью впускных и выпускных створок в каналах контура, управляемых с помощью приводов.
До внедрения климат‑контроля процесс выглядел следующим образом: инструктор в полетной зоне жестами сообщал оператору о том, что стало слишком жарко/холодно, и тот, в свою очередь, с помощью тумблеров немного открывал/закрывал створки. При необходимости последовательность действий повторялась. Ввиду того, что индикации положения створок не было, а инструктор — не лучший термометр, поддержание комфортной температуры было весьма грубым, к тому же, дополнительно отвлекало инструктора и оператора. Сейчас же климат‑контроль полностью взял на себя эту задачу и всё, что требуется от оператора — задать необходимую температуру. Подробности реализации этой подсистемы я также расскажу в следующей части.
На сегодня это все. Спасибо, что дочитали до конца! В следующих частях я расскажу более подробно о деталях реализации каждого компонента системы. Вы узнаете о том, как превратить детский рюкзак в дополнительный дисплей для Raspberry Pi, как обычный потенциометр был замещен бесконтактным энкодером с механической обратной связью собственной разработки, а также о многом другом.
