СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИЕЙ ДВИЖЕНИЯ СУДНА Российский патент 2013 года по МПК G05D1/00 

Изобретение относится к судовождению и может быть использовано для автоматизации управления траекторией движения любых типов судов, выполняющих сложное маневрирование, в частности, с большими углами дрейфа.

Существует способ управления траекторией движения судна, например, при динамическом позиционировании, который основан на определении параметров вектора аэродинамической силы, действующей на судно, с использованием датчиков, измеряющих направление и скорость ветра, а также математической модели судна, расчете параметров суммарного вектора тяги движительно-рулевого комплекса судна, направление которого противоположно направлению вектора аэродинамической силы, а модуль равен модулю аэродинамической силы [1], [2], [7].

Однако такой способ управления имеет ряд недостатков:

во-первых, все внешние воздействия, кроме аэродинамического, учитываются методом последовательных приближений, что требует неоднократного определения значений их параметров по результатам многократных промахов при приведении судна в заданное конечное положение;

во-вторых, указанные промахи возможны и по причине неадекватности математической модели судна, используемой в системе управления, так как ее параметры не идентифицируются с учетом текущих значений гидродинамических и аэродинамических параметров корпуса судна, которые имеют свойство меняться даже в процессе выполнения маневра;

в-третьих, неоднократные промахи при выходе в заданное конечное положение снижают эффективность работы системы управления судном, в основном за счет увеличения энергетических затрат, расходуемых на обеспечение выхода судна в заданное конечное положение;

в-четвертых, в целях обеспечения безопасности при выполнении отдельных маневров (швартовка к причалу) непопадание судна в заданное конечное положение недопустимо, указанный способ этого не предусматривает.

Известен способ определения гидродинамических параметров математической модели движения судна, включающий использование двух разнесенных по длине диаметральной плоскости судна носовой F и кормовой А точек с установленными в них приемниками СНС для измерения координат этих точек, определение кинематических параметров движения судна, непрерывную идентификацию математической модели судна (Пат. РФ №2442718, опубл. 20.02.2012). Изобретение позволяет повысить точность прогнозирования движения судна при маневрировании. Данный способ наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип.

Целью изобретения является повышение безопасности выполнения судном сложных маневров, а также повышение эффективности использования средств управления судном и, как следствие, экономии его энергетических ресурсов.

Управление осуществляют регулированием текущих значений параметров векторов линейных скоростей двух разнесенных по длине судна точек, расположенных в его диаметральной плоскости (ДП), условно называемых носовой F и кормовой А (фиг.1). В качестве регулируемых параметров рассматривают модули векторов линейной скорости носовой $${\overline{\upsilon }}_F$$ и линейной скорости кормовой $${\overline{\upsilon }}_A$$ точек судна, а также их направления. Управление направлениями векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ осуществляют исходя из условия их постоянной направленности в заданную точку в неподвижной координатной системе X₀0Y₀, а именно, вектор $${\overline{\upsilon }}_F$$ в процессе движения направлен в точку F_к, конечное заданное положение носовой F точки судна, вектор $${\overline{\upsilon }}_A$$ в процессе движения направлен в точку А_к, конечное заданное положение кормовой А точки судна. Управление модулями векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ осуществляют путем оценки соотношений заданных значений каждого из модулей, рассчитанных методом компьютерного моделирования с использованием идентифицируемой в процессе движения математической модели судна [3], [4], [5], [6], с соответствующими текущими значениями этих модулей, определяемых с помощью акселерометров, установленных в носовой F и кормовой А точках судна.

В заявляемом способе управления траекторией движения эффективность работы систем управления судном определяется уменьшением количества попыток вывода судна в заданное конечное положение (т.е. промахов). Этот эффект достигается за счет постоянной идентификации математической модели судна (общий признак) и ее использования для определения заданных значений модулей векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ . С помощью акселерометров определяют текущие значения векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ и полученные данные используют для формирования управляющего сигнала σ для движительно-рулевого комплекса (ДРК) судна. Таким образом, повышение эффективности работы систем управления судном позволяет уменьшить количество пробных выводов судна в заданную конечную позицию и тем самым уменьшить количество циклов работы ДРК судна и, как следствие, соответственно уменьшить энергетические затраты.

Сущность способа управления траекторией движения судна поясняется чертежами, представленными на фиг.1, 2, и заключается в следующем.

Заданное конечное положение точек F_к, А_к и G_к (центр тяжести) (фиг.1, 2) в неподвижной системе координат X₀0Y₀ задается их координатами, т.е. F_к(X_0Fк, Y_0Fк), А_к(X_0Aк, Y_0Aк), G_к(X_0Gк, Y_0Gк). Координаты начального положения точек F_н(X_0Fн, Y_0Fн), А_н(Х_0Ан, Y_0Ан) G_н(Х_0Gн, Y_0Gн) определяют с использованием спутниковой навигационной системы (СНС), также определяют текущие значения координат этих точек в процессе выполнения маневрирования F(Х_0F, Y_0F), А(Х_0A, Y_0A), G(Х_0G, Y_0G). Для определения координат указанных точек с помощью СНС приемники устанавливают в двух точках: носовой F и кормовой А, координаты третьей точки G определяют вычислением с учетом ее положения относительно носовой F и кормовой А точек. Если расстояние от точки F до точки G равно l_F (фиг.2), а от точки А до точки G равно l_A, то текущие значения координат точки G с учетом текущих значений координат точек F и А будут равны:

$$X_{0G}=\left[X_{0F}+\left(l_F/l_A\right)X_{0A}\right]/\left[1+\left(l_F/l_A\right)\right];\left(1\right)$$

$$Y_{0G}=\left[Y_{0F}+\left(l_F/l_A\right)Y_{0A}\right]/\left[1+\left(l_F/l_A\right)\right];\left(2\right)$$

Значение планируемого времени перехода судна из начального положения в конечное положение Δt=t_к-t_н (t_н - время начала маневрирования судна, t_к - время прихода судна в заданное конечное положение) определяют методом компьютерного моделирования планируемого маневра судна из исходного положения в конечное с использованием идентифицированной математической модели судна и с учетом параметров, характеризующих факторы внешней среды в районе выполнения маневра. При этом достаточно рассчитать допустимую скорость одной точки судна, например его центра тяжести (ЦТ) на пути G_нG_к или любой другой точки судна, лежащей в его ДП, согласно фиг.1, например, носовой точки F на пути F_нF_к или кормовой точки А на пути А_нА_к. В дальнейшем можно использовать осредненное из трех значение Δt по результатам его определения для каждой из указанных точек.

Учитывая, что все рассматриваемые точки должны оказаться в заданном конечном положении одновременно, для определения заданных начальных значений модулей векторов линейных скоростей точек G, F, A, а именно, υ_Gн, υ_Fн, υ_Ан используют зависимость

$$\Delta t=\left(G_{н}{G}_{к}/\upsilon G_{н}\right)=\left(F_{н}{F}_{к}/{\upsilon }_{Fн}\right)=\left(A_{н}{A}_{к}/\upsilon A_{н}\right),\left(3\right)$$

откуда:

$$\upsilon G_{н}=G_{н}{G}_{к}/\Delta t;{\upsilon }_{\text{F}}{}_{\text{н}}=F_{н}{F}_{к}/\Delta t;\upsilon {\text{A}}_{\text{н}}=A_{н}{A}_{к}/\Delta t.\left(4\right)$$

В процессе движения судна к конечному положению, заданные значения модулей векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ корректируют исходя из условия равенства их нулю в момент выхода точек F и А в заданное конечное положение F_к и А_к соответственно. Для этого определяют прогнозируемое время выхода точек (F, A, G) в планируемое конечное положение (F_к, А_к, G_к) и вычитанием значения текущего времени из значения прогнозируемого времени рассчитывают временной интервал, необходимый для уменьшения скоростей движения точек F и А до нулевого значения. Методом компьютерного моделирования с использованием идентифицированной математической модели судна определяют заданные на данный момент времени значения модулей векторов скоростей $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ .

Заданные направления векторов скоростей перемещения точек $$G\left({\overline{\upsilon }}_G\right)$$ , $$F\left({\overline{\upsilon }}_F\right)$$ и $$A\left({\overline{\upsilon }}_A\right)$$ в начале маневра и в течение всего периода его выполнения определяют из условия постоянной направленности соответствующего вектора в соответствующую конечную точку. Например, в процессе движения судна из начального положения в конечное отклонение вектора скорости точки $$F\left({\overline{\upsilon }}_F\right)$$ от линии, соединяющей текущее положение точки F и ее конечное положение F_к, должно иметь нулевое значение. В процессе выполнения маневра ведут постоянный пересчет заданных значений направлений векторов $${\overline{\upsilon }}_G$$ , $${\overline{\upsilon }}_F$$ , $${\overline{\upsilon }}_A$$ .

Текущие значения модулей и направлений векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ определяют с помощью акселерометров, установленных в точках F и А соответственно, при этом учитывают текущее значение курса судна ψ. Акселерометры измеряют продольные и поперечные линейные ускорения точек F(w_xF, w_yF) и A(w_xA, w_yA), а величины текущих значений модулей (υ_F, υ_A) и направлений (φ_F, φ_A) линейных скоростей точки F и точки А (фиг.2) рассчитывают на основании очевидных соотношений:

где β_F, β_A - текущие значения углов дрейфа в точках F и А соответственно.

Величину сигнала управления σ, передаваемую на движительно-рулевой комплекс судна, формируют из величин разностей текущих и заданных значений как модулей, так и направлений векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$

$$\sigma =k_{\upsilon F}\left({\upsilon }_{Fт}-{\upsilon }_{Fз}\right)+k_{\upsilon А}\left({\upsilon }_{Ат}-{\upsilon }_{Аз}\right)+k_{\varphi F}\left({\varphi }_{Fт}-{\varphi }_{Fз}\right)+k_{\varphi A}\left({\varphi }_{Aт}-{\varphi }_{Аз}\right)\left(15\right)$$

здесь υ_Fт, υ_Aт, φ_Fт, φ_Ат, υ_Fз, υ_Aз, φ_Fз, φ_Аз - текущие (индекс «т») и заданные (индекс «з») значения модулей и направлений векторов скоростей точек F и A; k_υF, k_υA, k_φF, k_φA - коэффициенты усиления.

Для повышения точности определения значений прогнозируемых с помощью компьютерного моделирования и необходимых для формирования сигнала управления параметров и, в конечном итоге, для повышения безопасности выполнения маневра, необходимо в течение всего процесса маневрирования непрерывно идентифицировать математическую модель судна известными методами [3], [4], [5], [6].

Литература

1. Барахта А.В., Юдин Ю.И. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования: Мурманск, Вестник МГТУ, том. 12, №2, 2009. с.255-258.

2. Петров Ю.П., Червяков В.В. Системы стабилизации буровых судов. Л.: Судостроение, 216 с., 1985 (Техника освоения океана).

3. Юдин Ю.И. Использование принципа максимума для параметрической идентификации математической модели судна / С.В.Пашенцев, Ю.И.Юдин // Наука и техника транспорта. - 2006. - №2. - С.100-107.

4. Юдин Ю.И. Идентификация параметров тренажерной модели движения танкера / Ю.И.Юдин, Г.И.Мартюк // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN, 2004: материалы 4-й междунар. конф. (Калининград, 9-10 июня 2004 г.) / БГАРФ. - Калининград, 2004. - С.154-159.

5. Юдин Ю.И. Идентификация модели судна - важнейший элемент управления безопасностью мореплавания / Ю.И.Юдин, Р.Г.Степахно // Управление безопасностью мореплавания и подготовки морских специалистов: SSN, 2002: материалы 3-й междунар. конф. (Калининград, 27-29 ноября 2002) / БГАРФ. - Калининград, 2003. - С.274-283.

6. Эйкхоф П. Основы идентификации систем управления / П.Эйкхоф. - М.: Мир, 1975. - 432 с.

7. Operator Manual Kongsberg Simrad SDP. Dynamic Positioning System (Rel. 4.0 Update 5), p.492, 2003.

Изобретение относится к судовождению и может быть использовано для автоматизации управления траекторией движения любых типов судов, выполняющих сложное маневрирование, в частности, с большими углами дрейфа. Техническим результатом является повышение эффективности использования средств управления судном. В способе управления траекторией движения судна используют текущие значения модулей и направлений векторов линейных скоростей $${\overline{\upsilon }}_F$$ носовой F точки и $${\overline{\upsilon }}_A$$ кормовой А точки, при этом управление направлениями векторов осуществляют исходя из условия их постоянной направленности в заданную точку в неподвижной системе координат X₀0Y₀, а именно вектор $${\overline{\upsilon }}_F$$ в процессе движения направлен в конечное заданное положение носовой точки судна - точку F_к, вектор $${\overline{\upsilon }}_A$$ в процессе движения направлен в конечное заданное положение кормовой точки судна - точку А_к, управление модулями осуществляют путем оценки соотношений заданных значений каждого из модулей с соответствующими текущими значениями этих модулей, формируют сигнал σ управления из величин разностей текущих и заданных значений модулей и направлений векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ . 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления траекторией движения судна, включающий использование двух разнесенных по длине диаметральной плоскости судна носовой F и кормовой А точек с установленными в них приемниками СНС для измерения координат этих точек и на их основе определение параметров движения судна, непрерывную идентификацию математической модели судна, отличающийся тем, что используют текущие значения модулей и направлений векторов линейных скоростей $${\overline{\upsilon }}_F$$ носовой F точки и $${\overline{\upsilon }}_A$$ кормовой А точки, при этом управление направлениями векторов осуществляют исходя из условия их постоянной направленности в заданную точку в неподвижной системе координат X₀0Y₀, а именно вектор $${\overline{\upsilon }}_F$$ в процессе движения направлен в конечное заданное положение носовой точки судна точку F_к, вектор $${\overline{\upsilon }}_A$$ в процессе движения направлен в конечное заданное положение кормовой точки судна точку А_к, управление модулями осуществляют путем оценки соотношений заданных значений каждого из модулей с соответствующими текущими значениями этих модулей, формируют для движительно-рулевого комплекса сигнал σ управления из величин разностей текущих и заданных значений модулей и направлений векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ .

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заданные значения модулей векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ рассчитывают методом компьютерного моделирования с использованием идентифицируемой в процессе движения математической модели судна.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что текущие значения векторов $${\overline{\upsilon }}_F$$ и $${\overline{\upsilon }}_A$$ определяют с помощью акселерометров, установленных в носовой F и кормовой А точках судна.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал управления определяют по формуле:
$$\sigma =k_{\upsilon F}\left({\upsilon }_{Fт}-{\upsilon }_{Fз}\right)+k_{\upsilon А}\left({\upsilon }_{Ат}-{\upsilon }_{Аз}\right)+k_{\varphi F}\left({\varphi }_{Fт}-{\varphi }_{Fз}\right)+k_{\varphi A}\left({\varphi }_{Aт}-{\varphi }_{Аз}\right)$$ , где
υ_Fт, υ_Aт, φ_Fт, φ_Ат - текущие значения модулей и направлений векторов скоростей точек F и А,
υ_Fз, υ_Aз, φ_Fз, φ_Аз заданные значения модулей и направлений векторов скоростей точек F и А,
k_υF, k_υA, k_φF, k_φA - коэффициенты усиления.