АППАРАТУРА АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСХОЖДЕНИЯ СУДНА СО ВСТРЕЧНЫМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 2009 года по МПК B63H25/04 G08G3/00 G05D1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному направлению с выявлением встречных объектов и расхождения с ними. Известно устройство (АС СССР №460535), обеспечивающее автоматическое удержание судна на заданном курсе. Стабилизация курса осуществляется по данным гирокомпаса, который является основным источником информации о направлении движения судна. Сигнал текущего курса и его производная поступают на вход вычислителя, на вход которого поступает также сигнал с датчика угла перекладки руля.

Известна также система автоматического управления движением судна (патент России №2248914, принятый в качестве прототипа). Автоматическое управление движением судна основано на использовании приемника спутниковой навигационной системы, блока заданного значения путевого угла и сумматора, на вход которого поступают сигналы: текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна и угла перекладки руля, для формирования закона управления рулевым приводом судна. Выход сумматора подключен к входу рулевого привода.

Существенным недостатком рассмотренных выше систем автоматического управления движением судна является возможность столкновения с встречными объектами.

Для устранения отмеченного недостатка в предлагаемой аппаратуре автоматического управления движением судна обеспечивается выявление встречных судов, с которыми возможно столкновение. После выявления такого встречного объекта аппаратура определяет требуемую корректировку в направлении движения судна, при которой будет исключена возможность столкновения, и изменяет направление движения судна. Через время прохождения судном точки пересечения корректированных траекторий (или минимальной точки сближения с встречным объектом) отключается коррекция, и судно выводит к прежнему маршруту движения.

Для решения поставленной задачи в предлагаемую аппаратуру дополнительно вводят:

- блок программного управления,

- радар (выдающий сигналы вектора расстояния от судна до встречного объекта),

- вычислитель, в котором формируют сигналы текущей широты, долготы и вектор скорости движения встречного объекта, будущие траектории движения судна и встречного объекта и величину коррекции к заданному путевому углу.

Для формирования закона управления рулевым приводом к входу сумматора подключают блоки:

- приемник СНС,

- датчик угловой скорости судна,

- датчик угла руля,

- задатчик путевого угла,

- программного управления.

Выход сумматора подключают к рулевому приводу.

Целью предлагаемой аппаратуры является обеспечение автоматического расхождения судна с встречным объектом путем:

- определения в ограниченной акватории движения судна встречного объекта, с которым возможно столкновение,

- нахождение минимально возможной величины отклонения судна от заданного направления движения «ΔПУ_зд», при котором будет исключена возможность будущего столкновения с встречным объектом,

- автоматического перевода судна на новое направление движения ПУ_зд+ΔПУ_зд (с отключением задатчика путевого угла от сумматора),

- автоматическое отключение ПУ_зд+ΔПУ_зд и подключение задатчика путевого угла к сумматору после окончания режима расхождения для выхода судна в дальнейшем на заданную траекторию движения.

Рассмотрим, как реализуется поставленная цель в предложенной аппаратуре.

На чертеже представлена блок-схема аппаратуры автоматического расхождения судна со встречным объектом, содержащая приемник СНС 1, задатчик путевого угла ПУ_зд 2, датчик угловой скорости 3, датчик руля 4, рулевой привод 5, сумматор 6, блок программного управления 7, радар 8, вычислитель 9, объект управления 10 (судно).

В качестве возможного варианта реализации рассмотрим приемник СНС 1 типовой разработки НПО «Агат» или Красноярского завода, задатчик путевого угла 2 и датчик руля 4, преобразователи угла в напряжение с точностью не хуже 2%; датчик угловой скорости 3 типовой с чувствительностью не хуже 0.005 ^гр/_сек; сумматор 6, блок программного управления 7 и вычислитель 9 могут реализовываться на микросхемах 140 уд 8 или на процессорах; рулевой привод 5 и радар 8 - штатное судовое оборудование.

Аппаратура работает следующим образом.

1. Из приемника СНС 1 сигнал текущего путевого угла судна «ПУ» поступает на первый вход сумматора 6. На второй-пятый входы сумматора 6 подключены выходы: задатчика 2 путевого угла «ПУ_зд», датчика 3 угловой скорости судна «ω», датчика 4 руля «δ» и блок 7 программного управления - корректировки заданного путевого угла «ПУ_зд+ΔПУ_зд». На выходе сумматора 6 вырабатывается скорость перекладки руля «d/dtδ», которая поступает на вход рулевого привода 5:

K_i=1,2,3 - постоянные коэффициенты регулирования.

В случае отсутствия встречного объекта ΔПУ_зд=0 судно будет двигаться с путевым углом, равным заданному значению ПУ=ПУ_зд.

2. При появлении встречного объекта с выхода радара 8 поступают на первый вход вычислителя 9 азимут встречного объекта «ψ» и расстояние от встречного объекта до судна «L», на второй вход вычислителя с выхода приемника СНС 1: курс судна φ, текущая широта и долгота судна «Ф_i», «λ_i» и путевой угол судна ПУ_суд. В вычислителе 9 формируется текущая широта и долгота встречного объекта, вектор расстояния от судна до встречного объекта «L_{об.,суд.}», путевой угол встречного объекта ПУ_об. и скорость хода V_об.:

а) текущая широта и долгота встречного объекта

где φ - текущий курс судна,

ψ - текущий азимут встречного объекта,

L_{об.,суд.} - расстояние от судна до встречного объекта,

Ф_об., λ_об., (Ф_суд., φ_суд.) - текущая широта и долгота встречного объекта (и судна),

б) путевой угол встречного объекта:

где ПУ_об. - текущий путевой угол встречного объекта,

Ф_об.i-1, λ_об.i-1 и Ф_oб.i, λ_об.i - текущая широта и долгота встречного объекта в момент времени «t» и в следующий момент времени «t+Δt»,

в) скорость хода встречного объекта:

где Ф_об.i-1, λ_об.i-1 и Ф_oб.i, λ_об.i - текущая широта и долгота встречного объекта в момент времени t и в следующий момент времени t+Δt,

V_об. - скорость движения встречного объекта,

d/dt - символ дифференцирования.

3. Используя полученные по зависимостям (2-4) в вычислителе 9 текущую широту, долготу и вектор скорости встречного объекта и из приемника СНС 1 сигналы широты, долготы и скорости хода судна, формируем в вычислителе 9 траектории будущего движения судна и встречного объекта, по которым в ограниченной акватории λ_суд.<λ_I<С определяют широту и долготу точки (Ф_n λ_n) пересечения отрезков траекторий будущего движения судна и встречного объекта:

где Ф_об., Ф_суд., λ_об., λ_суд. - текущие широты и долготы встречного объекта и судна.

4а) Если условие пересечения траекторий (5) в ограниченной акватории не имеет решения, в вычислителе 9 через интервал времени «Δt» вновь решают зависимости (2)-(4).

4б) Если условие (5) выполняется, в вычислителе 9 определяется условие одновременного будущего нахождения судна и встречного объекта вблизи точки пересечения двух траекторий (Ф_n, λ_n):

где t_суд.=L_суд./V_суд.,

t_об.=L_об./V_об.,

L_суд. - расстояние между текущим положением судна (Ф_суд., λ_суд.) и точкой пересечения траекторий (Ф_n,λ_n),

L_об. - расстояние между текущим положением встречного объекта (Ф_об., λ_об.) и точкой пересечения траекторий (Ф_n,λ_n),

V_суд., V_oб. - скорость движения судна и встречного объекта,

t_суд., t_об. - расчетное время движения судна и встречного объекта от текущих широт и долгот судна и встречного объекта (Ф_суд., Ф_об., λ_суд., λ_об.) до точки пересечения траекторий (Ф_n, λ_n).

5а) Если условие (6) не выполняется, в вычислителе 9 через интервал времени «Δt» вновь решают зависимости (2)-(4) и т.д.

5б) Если условие (6) выполняется, в вычислителе 9 вырабатывается уставка ΔПУ_зд, которая суммируется с текущим путевым углом судна ПУ_суд.=ПУ_зд (поступившим из приемника СНС 1). Затем в вычислителе 9 вырабатывается условие пересечения корректированной траектории движения судна и траектории движения встречного объекта:

где Ф_{суд.кор.i}-Ф_суд.=CtgПУ_{суд.кор.}(λ_{суд.кор.i}-λ_суд.),

Ф_{об.кор.i}-Ф_об.=CtgПУ_об.(λ_{об.кор.i}-λ_об.),

ПУ_{суд.кор.}=(ПУ_зд+ΔПУ_зд)

6а) Если зависимость (5а) не имеет решения, из вычислителя 9 сигнал

ПУ_{суд.кор.}=ПУ_суд.+ΔПУ_зд

поступает в блок программного управления 7 и далее на пятый вход сумматора 6, при этом блок программного управления 7 отключает задатчик ПУ_зд 2 от сумматора 6. Судно начинает двигаться по скорректированному направлению ПУ_{суд.кор.}.

В вычислителе 9 формируется время Т_{расхож.}:

Т_{расхож.}=L_{суд.расх.}/V_суд.

где L² _{суд.расх.}=(Ф_кор.n-Ф_суд.)²+(λ_кор.n-λ_суд.)²,

L_{суд.расх.} - отрезок пути судна от текущей точки нахождения судна (Ф_суд., λ_суд.) до точки пересечения скорректированной траектории движения судна с траекторией движения встречного объекта (Ф_кор.n, λ_кор.n). Блок программного управления 7 через время Т_{расхож.} по сигналу из вычислителя 9 отключается от сумматора 6 и к пятому входу сумматора 7 подключает задатчик ПУ_зд 2. Аппаратура автоматического расхождения судна со встречным объектом возвращается в начальное исходное состояние.

6б) Если зависимость (5а) имеет решение, в вычислителе 9 определяется выполнение условия одновременного будущего нахождения судна и встречного объекта в точке пересечения двух траекторий (Ф_{n кор.}, λ_{n кор.}):

t_{суд.кор.}, t_об.кор. - расчетное время движения судна и встречного объекта от текущих широт и долгот судна и встречного объекта (Ф_суд., Ф_об., λ_суд., λ_об.) до корректированной точки пересечения траекторий (Ф_{n кор.}, λ_{n кор.}).

7а) Если условие (6а) не выполняется в вычислителе 9 через интервал времени «Δt», аппаратура автоматического расхождения судна со встречным объектом возвращается в исходное первоначальное состояние и вновь решаются зависимости (2)-(4) и т.д.

7б) Если условие (6а) выполняется, в вычислителе 9 вырабатывается уставка ΔПУ_зд1=2ΔПУ_зд, которая суммируется с текущим путевым углом судна ПУ_суд. (поступившим из приемника СНС 1). Затем в вычислителе 9 вырабатывается условие пересечения вновь корректированной траектории движения судна и траектории движения встречного объекта:

8а) Если зависимость (5б) не имеет решения в вычислителе 9, сигнал

ПУ_{суд.кор.1}=ПУ_суд.+2ΔПУ_зд

поступает в блок программного управления 7 и далее на пятый вход сумматора 6. Программный блок 7 отключает задатчик 2 ПУ_зд от сумматора 7. Судно начинает двигаться по вновь скорректированному направлению ПУ_{суд.кор.1}. В вычислителе 9 формируется время Т_{расхож.1}.

Через время Т_{расхож.1} аппаратура расхождения судна со встречным объектом переходит в начальное исходное состояние.

8б) Если зависимость (5б) имеет решение в вычислителе 9, тогда определяется выполнение условия:

9а) Если условие (6б) не выполняется, то через интервал времени «Δt» вновь решают зависимости (2)-(4) и т.д.

9б) Если условие (6б) выполняется, в вычислителе 9 вырабатывается уставка ΔПУ_зд2=3ΔПУ_зд, которая суммируется с текущим путевым углом судна ПУ_суд.. Затем в вычислителе 9 формируется условие:

10а) Если зависимость (5в) в заданной акватории не имеет решения в вычислителе 9, сигнал:

ПУ_{суд.кор.2}=ПУ_суд.+2ΔПУ_зд

поступает в блок программного управления 7 и судно начинает двигаться по вновь скорректированному направлению ПУ_{суд.кор.1}. Через время Т_{расхож.2} аппаратура расхождения судна переходит в начальное исходное состояние.

10б) Если зависимость (5в) имеет решение, тогда определяется выполнение следующего условия (6в). При невыполнении условия (6в) аппаратура расхождения судна переходит в начальное исходное состояние, при выполнении условия (6в) формируется новое значение ПУ_{суд.кор.2} и циклы поиска безопасного направления движения судна продолжатся. После определения «n» корректированного направления движения судно выйдет на это направление и продолжит движение по этому направлению в течение «Т_{расхож.n}». Далее аппаратура расхождения судна со встречным объектом вернется в начальное исходное состояние.

Проведенное моделирование подтвердило эффективность использования предложенной аппаратуры.

Изобретение относится к области судовождения, а именно к автоматическому управлению движением судна по заданному направлению с выявлением встречных объектов и автоматического расхождения с ними. В предложенной аппаратуре используются приемник спутниковой навигационной системы, вычислитель, радар, рулевой привод, сумматор и блок программного управления. Из последнего сигнал коррекции заданного путевого угла вводится на вход сумматора в случае удовлетворения условия столкновения судна со встречным объектом, которое вырабатывается в вычислителе. Коррекция заданного путевого угла поступает в блок программного управления из вычислителя. Изобретение обеспечивает повышенную эффективность в исключении возможности столкновения судна со встречными объектами. 1 ил.

Аппаратура автоматического расхождения судна со встречным объектом, содержащая приемник спутниковой навигационной системы, вырабатывающий сигналы текущей широты и долготы судна, а также сигнал текущего путевого угла, задатчик путевого угла, датчик угловой скорости судна, датчик угла руля, выходы которых подключены соответственно к четырем входам сумматора, вырабатывающего сигнал скорости перекладки руля и соединенного с рулевым приводом, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок программного управления, вырабатывающий сигнал для корректировки заданного путевого угла при появлении встречного объекта и соединенный выходом с пятым входом сумматора, радар, вырабатывающий сигналы азимута встречного объекта и расстояния от встречного объекта до судна, и вычислитель, подключенный входами к радару и приемнику спутниковой навигационной системы, а выходом - к входу блока программного управления и выполненный с возможностью формирования траекторий будущего движения судна и встречного объекта, а также определения по ним широты и долготы точки пересечения отрезков траекторий будущего движения судна и встречного объекта.