СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ Российский патент 2013 года по МПК B63H25/04 

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному маршруту.

Известен способ автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованный в «Системе автоматического управления судном» (патент RU №2240953 С1, БИ №33, 27.11.2004 г.). Способ управления движением судна основан на использовании информации от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения путевого угла и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла и угловой скорости судна формируется сигнал для управления рулевым приводом судна.

Известен также способ автоматического управления движением судна (патент RU 2292289 С1, БИ №3, 27.01.2007 г., принятый нами в качестве прототипа), в котором автоматическое управление движением судна осуществляется (аналогично описанному выше) с использованием: сумматора, рулевого привода, блока выработки угловой скорости, датчика руля, приемника спутниковой навигационной системы, блока заданного путевого угла. В способе управления движением судна корректируется заданное значение путевого угла в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В»… по заданному маршруту.

Известные способы автоматического управления движением по заданной траектории обеспечивают точное движение к заданной точке. Однако серьезными недостатками рассмотренных способов управления движением судна по заданной траектории от точек «А» к точке «Б», затем «В»… являются:

- применение закона стабилизации судна на заданном направлении с использованием только кормового рулевого привода,

- при появлении поперечных возмущающих силовых воздействий, а также управляющих моментов, создается большой угол дрейфа судна, что приводит к уходу с заданной траектории движения и потерям в крейсерской скорости хода судна.

- затруднен проход судном узкостей из-за появления существенного угла дрейфа вблизи точек «А», «Б»… .

Приведенный ниже способ управления лишен этих недостатков, т.к. обеспечивает движение судна практически с нулевым углом дрейфа и нулевым поперечным уходом с заданной траектории движения.

Техническим результатом предлагаемого способа автоматического управления движением судна является:

- формирование управления судном кормовым рулевым приводом только по заданному углу курса и угловой скорости (при этом угол дрейфа и бокового сноса судна поддерживаются близкими к нулю подсистемой стабилизации нулевого дрейфа),

- минимизация отклонения судна от заданной траектории (в поперечном направлении),

- повышение крейсерской скорости хода судна (благодаря снижению сопротивления движению судна - β≈0),

- повышение безопасности проводки судна в узкостях (т.к. практически исключается боковое смещение судна при наличии поперечных управляющих и возмущающих сил).

Технический результат достигается благодаря:

- введению подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении (в поперечном направлении подруливающее устройство или носовые рули в подсистеме стабилизации нулевого дрейфа автоматически устраняют угол дрейфа β и боковой снос У, даже при появлении поперечных сил, действующих на судно, β≈0 и У≈0),

- использованию кормового рулевого привода для управления судном только по углу курса.

Предлагаемый способ управления движением судна по заданной траектории (углу курса) осуществляется кормовым рулевым приводом с использованием: датчика руля δ, датчика угловой скорости ω, датчика курса ϕ и задатчика угла курса φ_зд. и сумматор на выходе которого формируется закон управления рулевым приводом вида:

$$d/dt\delta =K1\left(\phi -{\phi }_{зд}\right)+K2\omega -K3\delta \left(1\right),$$

где: δ - угол перекладки руля,

φ, φ_зд. - угол курса и заданный угол курса,

ω - угловая скорость судна,

К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования.

Сигнал вида d/dt δ (1) вводится с выхода сумматора на вход рулевого привода. Это обеспечивает автоматическое управление движением судна по заданному углу курса.

Отличительной особенностью рассматриваемого способа является использование подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении, включающей: второй сумматор, блок суммирования, приемник спутниковой навигационной системы, интегратор и подруливающее устройство для формирования и поддержания угла дрейфа и бокового сноса судна близким к нулю. В этом случае производная поперечной управляющей силы - dP/dt, создаваемая во втором сумматоре, - формируется в виде:

$$\raisebox{1ex}{$dP$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$dt$}\right.=K1\beta +K2{\displaystyle \int \beta dt-K3P\left(2\right)}$$ ,

где Р - поперечная управляющая сила, создаваемая на выходе подруливающего устройства,

β - угол дрейфа судна, вырабатываемый на выходе блока суммирования,

К2∫βdt - интеграл по времени от угла дрейфа - боковое смещение судна У, вырабатываемое на выходе интегратора,

К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования.

Сигнал угла дрейфа - β формируется в блоке суммирования с использованием сигналов с приемника спутниковой навигационной системы, на выходе которой вырабатывается путевой угол - ПУ, и датчика угла курса - φ, на выходе которого вырабатывается угол курса - φ:

$$\beta =ПУ-\phi \left(3\right).$$

Боковое смещение судна - У формируется в интеграторе, на вход которого вводится сигнал угла дрейфа - β из суммирующего устройства:

$$У=K2{\displaystyle \int \beta dt\left(4\right)}$$ .

Сигнал производной поперечной управляющей силы - $$\raisebox{1ex}{$dP$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$dt$}\right.$$ , сформированный по зависимости (2) на выходе второго сумматора, поступает на вход подруливающего устройства, на выходе которого создается поперечная управляющая сила - Р, которая обеспечивает движение судна по заданной траектории с углом дрейфа и боковым сносом, близким к нулю.

Система автоматического управления движением судна по заданной траектории

Рассмотрим работу системы автоматического управления движением судна по заданной траектории, структура которой разработана с использованием предлагаемого способа управления движением судна по заданной траектории (с текущим углом дрейфа β≈0 и поперечным отклонением судна от заданной траектории У≈0 даже при наличии поперечных возмущающих сил, воздействующих на судно).

Система содержит: 1 - задатчик угла курса, 2 - датчик угла курса, 3 - датчик руля, 4 - первый сумматор, 5 - датчик угловой скорости (ДУС), 6 - рулевой привод, 7 - приемник спутниковой навигационной системы (СНС), 8 - блок суммирования, 9 - интегратор, 10 - второй сумматор, 11 - подруливающее устройство, 12 - объект управления - судно. Все связи между блоками системы приведены на фигуре. Реализация предлагаемой системы может быть осуществлена с использованием микросхем типа 140 УД-6 и 140 УД-8:

- сумматоры 4, 10,

- интегратор 9.

Датчик угловой скорости 5 - типовой датчик угловой скорости ДУС-5 с чувствительностью не ниже 0,05 гр/с. Задатчик угла курса 1 - программный блок формирования сигнала заданного значения угла курса для движения по заданной траектории от точки А к точке Б… . Датчик угла курса 2 - гирокомпас типа «Гиря». Штатные судовые системы:

- приемник СНС 7,

- рулевой привод 6,

- подруливающее устройство 11.

Система автоматически обеспечивает движение корабля по заданной траектории. На вход первого сумматора 4 поступают сигналы:

- угловой скорости судна ω - с датчика угловой скорости 5,

- угла перекладки руля δ - с датчика руля 3,

- текущего угла курса φ - с датчика угла курса 2,

- заданного угла курса φ_зд. - с задатчика угла курса 1.

На выходе первого сумматора 4 формируется заданное значение угловой скорости перекладки кормового руля d/dt δ_зд. (или угла перекладки кормового руля - δ_зд. в зависимости от типа рулевой машины).

В соответствии с зависимостью (1) руль будет автоматически перекладываться и обеспечивать удержание судна с углом курса, равным заданному углу курса:

φ=φ_зд.,

Одновременно осуществляется стабилизация судна на нулевом угле дрейфа и с нулевым поперечным смещением относительно заданной траектории движения. Это достигается благодаря использованию подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении.

На выходе (подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении) в подруливающем устройстве - 11 формируется управляющее воздействие на судно в виде поперечной управляющей силы - Р. Закон управления подруливающим устройством - 11 формируется во втором сумматоре - 10 в соответствии с зависимостью (2).

Сигналы, поступающие на вход второго сумматора - 10:

- угол дрейфа β формируется в соответствии с зависимостью (3) в блоке суммирования 8, на вход которого вводится сигнал текущего угла курса - φ из датчика угла курса 2 и сигнал текущего путевого угла - ПУ из приемника спутниковой навигационной системы - 7,

- боковой снос - У формируется на выходе интегратора - 9, на вход которого поступает сигнал - β с выхода блока суммирования - 8,

- поперечная управляющая сила - P с выхода подруливающего устройства - 11.

С выхода второго сумматора - 10 сигнал производной поперечной управляющей силы $$\raisebox{1ex}{$dP$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$dt$}\right.$$ поступает на вход подруливающего устройства - 11, обеспечивая тем самым поддержание нулевого дрейфа и нулевого поперечного смещения судна относительно заданной траектории даже при наличии поперечной силы, действующей на судно.

Моделирование рассмотренного выше способа автоматического управления движением судна, в котором обеспечивается стабилизация нулевого угла дрейфа и нулевого бокового сноса, подтвердило его работоспособность, а следовательно, и высокую эффективность использования предложенного способа управления движением судна по заданной траектории особенно при наличии поперечных сил, воздействующих на судно.

Изобретение относится к области судовождения. Автоматическое управление движением судна по заданной траектории осуществляют путем управления по заданному углу курса с использованием кормовых рулей. Для обеспечения движения судна с углом дрейфа, близким к нулю, в предложенном способе применяют также подсистему стабилизации судна в поперечном направлении, в которой формируют управление подруливающим устройством с использованием сигналов: угла дрейфа из блока суммирования, на вход которого вводят угол курса из датчика курса и путевой угол из приемника спутниковой навигационной системы и, бокового смещения судна из интегратора. Оба сигнала вводят на вход второго сумматора, выход которого подключен к подруливающему устройству. При этом обеспечивается не только стабилизация нулевого дрейфа, но и стабилизация судна по нулевому боковому смещению относительно заданной траектории движения судна. 1 ил.

Способ управления движением судна по заданной траектории, характеризующийся тем, что используют датчик руля δ, датчик угловой скорости ω, датчик курса ϕ, задатчик угла курса ϕ_зд и первый сумматор, на выходе которого формируют сигнал управления рулевым приводом d/dt δ, который вводят на вход рулевого привода, на вход первого сумматора вводятся сигналы:
угла перекладки руля δ с датчика руля,
угловой скорости ω с датчика угловой скорости,
угла курса ϕ с датчика курса,
заданного угла курса ϕ_зд с задатчика угла курса,
отличающийся тем, что используют второй сумматор, блок суммирования, приемник спутниковой навигационной системы, интегратор и подруливающее устройство, на вход которого вводят сигнал производной поперечной силы ^dP/_dt с выхода второго сумматора, на вход последнего поступают сигналы:
угла дрейфа β из блока суммирования, на вход последнего вводят сигналы угла курса ϕ из датчика курса и путевого угла ПУ из приемника спутниковой навигационной системы,
бокового смещения судна У из интегратора, на вход которого вводят сигнал угла дрейфа β из блока суммирования.