СПОСОБ ВЫБОРА ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ В СИСТЕМЕ РАСХОЖДЕНИЯ СУДНА С ВСТРЕЧНЫМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 2010 года по МПК B63H25/04 G05D1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна с выбором вида используемых корабельных исполнительных средств при расхождении с встречным объектом.

Известен способ швартовки судна [патент России №2330789], в котором сигнал коррекции к заданному путевому углу «ΔПУ_зд» формируют с использованием радара (выдающего сигналы вектора расстояния от судна до встречного объекта - пирса). Сигналы текущей широты, долготы, скорости хода и путевого угла судна используют от приемника спутниковой навигационной системы для формирования сигналов прогнозируемого движения судна и встречного объекта. (В вычислителе формируют сигнал коррекции к заданному путевому углу «ΔПУ_зд», который вводят в сумматор рулевого привода. Программный блок изменяет скорость хода судна с использованием регулятора оборотов гребного винта.)

Недостатком рассмотренного способа является использование только регулятора оборотов гребного винта при расхождении с объектом.

Известен также способ расхождения судна с встречным объектом [Острецов Г.Э., Клячко Л.М. Автоматическое расхождение судна с встречным объектом. // Морской вестник №3(27). С.-Петербург. 2008 г., стр.65, 66], принятый нами в качестве прототипа:

- обеспечивающий автоматическое выявление встречных объектов, с которыми возможно столкновение,

- определяющий требуемую корректировку в направлении движения судна, при которой будет исключена возможность столкновения (коррекция заданного путевого угла «ΔПУ_зд»),

- вводящий это изменение в движения судна.

Недостатком рассмотренного способа является то, что для исключения столкновения с встречным объектом производится перевод судна с заданной траектории движения - изменением заданного путевого угла, причем режим изменения скорости хода судна не рассматривается. В то время как в ряде случаев исключить столкновение со встречным объектом можно более эффективно, если изменить только скорость хода судна, не изменяя значение заданного путевого угла (траектория движения судна при этом остается неизменной).

Целью предлагаемого способа является предварительный выбор вида используемого исполнительного средства при расхождении (рулевого привода или регулятора оборотов гребного винта) для достижения «оптимального» режима работы системы расхождения судна со встречным объектом.

Расхождение судна с встречным объектом может осуществляться при использовании предложенного нами способа либо рулевым приводом (путем коррекции заданного путевого угла для изменения направления движения судна), либо регулятором оборотов гребного винта (производится изменение скорости хода судна с сохранением заданного направления движения).

Способ выбора исполнительных средств в системе расхождения судна с встречным объектом использует:

- приемник спутниковой навигационной системы (СНС), вырабатывающий текущую широту, долготу, путевой угол и скорость хода судна;

- радар, выдающий сигнал вектора расстояния от судна до встречного объекта;

- вычислитель, в котором формируют сигналы текущей широты, долготы и вектор скорости встречного объекта (по сигналам от радара и от приемника СНС); в вычислителе также формируют будущие траектории движения судна и встречного объекта, используя которые формируют условия столкновения судна с встречным объектом, формируют требуемый сигнал коррекции к заданному путевому углу «ΔПУ_зд» для использования рулевого привода, а также требуемый сигнал коррекции к заданной скорости хода судна «ΔV_i=n», для использования регулятора оборотов гребного винта.

В предложенном способе дополнительно используют:

1) прогнозатор, в котором формируют:

- сигнал времени t_«ΔV» будущего перехода судна до следующей (заданной) точки изменения направления траектории А_расч (при корректировке заданной скорости хода судна на величину «ΔV_i=n»),

- сигнал времени t_{«ΔПУзд»} будущего перехода судна до следующей (заданной) точки изменения направления траектории А_расч (при корректировке заданного путевого угла на величину «ΔПУ_зд»),

2) логический блок, в котором, используя сигналы t_«ΔПУзд и t_«ΔV», формируют сигнал «ΔПУ_зд» или «ΔV_i=n» на подключение «оптимального» исполнительного средства (при котором расхождение со встречным объектом и выход судна к следующей заданной точке изменения направления траектории движения А_расч осуществляется за меньшее время).

Рассмотрим последовательность выполнения операций в предложенном способе.

1. Выработка сигнала коррекции «ΔV_i=n» (при которой исключается столкновение)

При появлении встречного объекта в вычислителе формируют сигналы текущей широты «Ф_об» и долготы «λ_об» встречного объекта, вектор расстояния от судна до встречного объекта «L_об,cуд», путевой угол встречного объекта «ПУ_об» и скорость хода встречного объекта «V_об». С этой целью из радара и приемника СНС вводят в вычислитель сигналы:

- пеленг встречного объекта «П»,

- расстояние от встречного объекта до судна «L_об,суд»,

- текущего курса судна «φ»,

- текущей широты судна «Ф_i»,

- текущей долготы судна «λ_i»,

- путевого угла судна «ПУ_суд.i,

- текущей скорости судна V_суд.i.

а. Текущая широта и долгота встречного объекта определяется:

где φ - текущий курс судна,

П - текущий пеленг встречного объекта,

L_об,суд - расстояние от судна до встречного объекта,

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

б. Путевой угол встречного объекта определяется:

где ПУ_об - текущий путевой угол встречного объекта,

Ф_об.i-1, λ_об.i-1 и Ф_об.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 определяется:

где Ф_об.i-1, λ_об.i-1 и Ф_об.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.

г. Используя полученные по зависимостям (1-3) сигналы текущей широты, долготы и вектор скорости встречного объекта и из приемника СНС сигналы широты, долготы и скорости хода судна, формируют траектории будущего движения судна и встречного объекта, по которым определяют широту и долготу точки (Ф_n. λ_n) пересечения отрезков траекторий будущего движения судна и встречного объекта:

где Ф_об.i+Ф_об.=К₁(λ_об.i-λ_об),

Ф_суд.i+Ф_суд=К₂(λ_суд.i-λ_суд),

Ф_об, Ф_суд, λ_об, λ_суд - текущие широта и долгота встречного объекта и судна.

д. Используем условие одновременного будущего нахождения судна и встречного объекта вблизи точки пересечения двух траекторий (Ф_n, λ_n):

где t_суд, t_об - время движения судна и встречного объекта от начального состояния {(Ф_суд, λ_суд). (Ф_об, λ_об)} до точки пересечения траекторий (Ф_n, λ_n).

е. При выполнении условия (5) в вычислителе вырабатывается сигнал уставки ΔV_суд, который определяется из зависимостей:

где V_{суд. корр}=V_суд+ΔV_суд,

t_{суд. корр}=L_суд/V_{суд.корр},

t_об=L_об/V_об,

L_суд - расстояние между текущим положением судна (Ф_суд, λ_суд)

и точкой пересечения траекторий А_n (Ф_n, λ_n),

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

V_{суд.корр}, V_об - корректированная скорость движения судна и скорость встречного объекта,

знак приращения скорости ΔV_суд определяется:

при t_суд-t_об<0, -ΔV_суд (в отрицательной области приращения скорости хода судна),

при t_суд-t_об>0, +ΔV_суд (в положительной области приращения скорости хода судна).

ж. Сигнал коррекции скорости хода судна «ΔV_суд» вводят в прогнозатор.

2. Выработка сигнала коррекции путевого угла «ΔПУ_зд» (при котором исключается столкновение в точке А_n).

а. Используя зависимости (1)-(5), формируем сигнал коррекции заданного путевого угла АПУ_А1: при движении в точку А₁

где ПУ_зд - заданное значение путевого угла до начала режима расхождения,

ПУ_зд.A1 - заданное значение корректированного путевого угла для перехода судна в точку A₁.

б. Определение времени «t_{А1судна}» движения судна от текущей точки А_0суд до точки пересечения траекторий А₁ и времени «t_{A1объекта}» движения встречного объекта, от точки А_0об до точки пересечения траекторий А₁:

t_{А1судна}=L_1с(А_0суд(Ф₀, λ₀)-А₁(Ф_А1, λ_А1))/V_с,

t_{А1объекта}=L_1об(А_0об(Ф_0об, λ_0об)-А₁(Ф_А1, λ_А1))/V_об,

где: А_0суд - (Ф₀, λ₀) - текущая точка местонахождения судна,

А_0об - текущая точка местонахождения встречного объекта,

A₁(Ф_А1, λ_А1) - точка будущего нахождения судна и встречного объекта при движении судна с корректированным путевым углом ПУ_зд.А1,

V_c - скорость хода судна,

V_об - скорость хода встречного объекта,

L_1суд - длина отрезка между точками А_0суд и A₁,

L_1oб - длина отрезка между точками А_0об и A₁,

Δ-var. (изменяется в диапазоне -С<Δ<+С).

в. Формируем сигнал условия столкновения в окрестности точки A₁(5_A1a) или (5_А1б) условия безопасного прохождения судна через точку A₁.

При выполнении условия (5_A1б) выработанный сигнал коррекции вектора заданного движения судна ΔПУ_i=1, вводится в прогнозатор.

При выполнении условия (5_A1а) формируется новый сигнал коррекции в направлении вектора заданного движения судна ΔПУ_i=2, который используется в повторном цикле вычислений для выявления возможности столкновения в точке А₂. Аналогично рассмотренным циклам повторяют циклы вычислений до «n» цикла, когда выполняется условие безопасного прохождения через точку А_n (5_Аnб), тогда сигнал коррекции заданного путевого угла «n» цикла «ΔПУ_i=n» вводят в прогнозатор (это соответствует будущему режиму перехода судна из точки А₀ в точку А_n с путевым углом заданным ПУ_зд.Аn=ПУ_зд+ΔПУ_i=n).

3. Формирование сигналов времени будущего перехода судна до следующей (заданной) точки изменения траектории движения А_расч.

В прогнозаторе, используя сигналы «ΔПУ_i=n» и «ΔV_i=n», формируют время движения судна от точки А₀ до расчетной точки изменения направления траектории движения судна А_расч.

а. Формирование времени движения судна Т_ΔПУi=n при использовании корректирующего сигнала «ΔПУ_i=n»:

где

t_{суд.«ΔПУi=n»}=L_{суд.«ΔПУi=n»}/V_суд,

t_Anсуд.=L_{суд.расч}/V_суд,

L_{суд.«ΔПУi=n»} - расстояние между текущим положением судна

А₀(Ф_суд, λ_суд) и точкой пересечения траекторий А_n (Ф_n, λ_n),

L_{суд.расч} - расстояние между точками А_n и А_расч,

V_суд - скорость движения судна,

t_{суд.«ΔПУi=n»} - расчетное время движения судна от точки А₀ до А_n,

t_Anсудна - время движения судна от точки А_n до точки А_расч,

А_расч - ближайшая точка изменения направления траектории движения судна.

Сигнал времени Т_ΔПУi=n вводят в блок логики.

б. Формирование времени движения судна при использовании корректирующего сигнала «ΔV» » до точки траектории А_расч:

где t_{суд.«ΔV»}=L_суд/V_{суд.кор}»

L_суд - расстояние между текущим положением судна А_0суд

и точкой пересечения траекторий A_i=n,

V_{суд.кор}=V_суд-ΔV,

t_суд.An=L_{суд.расч}/V_суд.зд,

L_{суд.расч} - расстояние между точкой А_n и точкой А_расч,

V_суд - заданная скорость хода судна.

Сигнал Т_ΔV вводят в блок логики.

4. Формирование сигнала на подключение «оптимального» исполнительного средства в блоке логики

вычислителя вводят в регулятор оборотов гребного винта.

вычислителя вводят в сумматор рулевого привода судна.

Описание работы системы расхождения судна с предварительным выбором исполнительного средства (см. фиг.)

Рассмотрим структуру системы расхождения судна с встречным объектом, дополненную подсистемой выбора исполнительных средств. При движении судна радар 1 выдает сигналы пеленга и расстояния судна до встречного объекта в вычислитель 2. Сигналы текущей широты, долготы и вектора скорости хода судна из приемника спутниковой навигационной системы (СНС) 3 поступают на вход сумматора рулевого привода 4 и на второй вход вычислителя 2.

В вычислителе 2 вырабатываются сигналы:

- широты, долготы и вектор скорости хода встречного объекта (см, зависимость (1)-(3)),

- траектории будущего движения судна и встречного объекта (см. зависимость (4)),

- времени движения судна и времени движения встречного объекта до места пересечения траекторий (см. зависимость (5)),

- коррекции скорости хода судна «ΔV_суд» (см. зависимость (5А)),

- коррекции заданного путевого угла «ΔПУ_зд». (см. зависимость (6)).

В прогнозаторе 5 вырабатываются сигналы:

- времени движения судна Т_{«ΔПУi=n»} при использовании корректирующего сигнала «ΔПУ_i=n» (см. зависимость (7)),

- времени движения судна Т_«ΔVзд» при использовании корректирующего сигнала «ΔV» (см. зависимость (8)).

В блоке логики 6 вырабатываются сигналы на подключение:

- коррекции скорости хода судна «ΔV_i=n» из вычислителя 2 на вход регулятора оборотов гребного винта 7 (при выполнении зависимости (9) скорость хода судна будет V_{суд.корр}=V_суд-ΔV_суд),

- коррекции заданного путевого угла «ΔПУ_i=n» из вычислителя 2 на вход сумматора рулевого привода 4 (при выполнении зависимости (10) судно 9 начинает двигаться не по заданному путевому углу «ПУ_зд», а по скорректированному путевому углу «ПУ_зд.-ΔПУ_i=n».

На вход сумматора рулевого привода 4 также поступают сигналы заданного путевого угла «ПУ_зд», путевой угол «ПУ» и угловая скорость судна «ω» от приемника СНС 3. Таким образом, формируется автоматическое управление судном по скорректированному путевому углу и заданной скорости хода «V_суд»:

где δ_зд - задание на угол перекладки руля, поступающее на вход штатного рулевого привода 8 с выхода сумматора рулевого привода 4.

Проведенное моделирование рассмотренной выше системы подтвердило работоспособность предложенного способа.

Изобретение относится к области судовождения, в частности к автоматическому управлению движением судна при расхождении со встречным объектом. Для выбора исполнительных средств в системе расхождения судна с встречным объектом используют радар, регулятор оборотов гребного винта, рулевой привод, приемник спутниковой навигационной системы, сумматор рулевого привода, блок логики и прогнозатор. На вход прогнозатора вводят сигналы текущей широты, долготы, путевого угла и скорости из приемника спутниковой навигационной системы и два сигнала из вычислителя - коррекции скорости хода судна и коррекции заданного путевого угла, для расчета времени движения судна. Сигналы расчетного времени движения судна с выхода прогнозатора вводят в блок логики для выбора либо регулятора оборотов гребного винта для коррекции скорости хода судна, либо сумматора рулевого привода для коррекции заданного путевого угла. Изобретение обеспечивает оптимальный режим работы системы расхождения судна со встречным объектом. 1 ил.

Способ выбора исполнительных средств в системе расхождения судна с встречным объектом с использованием радара, регулятора оборотов гребного винта, рулевого привода, приемника спутниковой навигационной системы и сумматора рулевого привода, на вход которого вводят сигналы с приемника спутниковой навигационной системы, текущего и заданного путевого угла, угловой скорости судна, сигнал с сумматора рулевого привода подают на вход рулевого привода, отличающийся тем, что для формирования сигналов выбора исполнительных средств дополнительно используют блок логики и прогнозатор, на вход которого вводят сигналы текущей широты, долготы, путевого угла и скорости хода судна из приемника спутниковой навигационной системы и два сигнала из вычислителя - коррекции скорости хода судна ΔV_суд и коррекции заданного путевого угла ΔПУ_зд, сигналы расчетного времени движения судна Т_{ΔПУ i=n} и Т_ΔVзд с выхода прогнозатора вводят в блок логики, в котором формируют сигналы подключения либо коррекции скорости хода судна ΔV_суд к регулятору оборотов гребного винта, либо коррекции заданного путевого угла ΔПУ_зд к сумматору рулевого привода.