СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМСЯ СУДНОМ Российский патент 2015 года по МПК B63H25/00 

Изобретение относится к управлению движущимся судном во время выполнения им ключевой судовой операции, например швартовной операции или динамического позиционирования, с соблюдением требований безопасности и эффективности ее осуществления и касается автоматического управления движительно-рулевым комплексом судна с использованием значений координат двух разнесенных по длине судна точек в заданной координатной системе, положение и ориентация которой на плоскости определяется энергетической эффективностью и безопасностью выполняемого маневрирования.

Известен способ управления движущимся судном по величине поперечных смещений двух разнесенных по длине судна точек, условно называемых носовой F и кормовой А, и условной точки С, расположенной в пределах корпуса судна в его диаметральной плоскости (ДП), текущее положение которой определяют исходя из текущих значений координат носовой F и кормовой А точек (Пат. РФ №2599030, опубл. 10.03.2014).

Способ заключается в том, что в пределах контура судна, в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 1-4), а другая к корме судна (точка А на фиг. 1-4) относительно плоскости мидель - шпангоута. Расстояние между точками F и А выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением судна для удержания его на заданной линии положения диаметральной плоскости (ДП).

Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.

Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные смещения точки F (d_xoF) и точки A (d_xoA) от заданной линии положения ДП. Причем поперечное смещение точки от заданной линии положения ДП считается положительным, если она смещается вправо и отрицательным, если она смещается влево (фиг. 1-4).

Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной линии положения ДП. Это положительные величины, причем α₁ больше α₂. Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна 1 от заданной линии 2 положения ДП 3. Например, (фиг. 1, 2) ДП 3 судна 1 пересекает заданную линию 2 положения ДП 3 под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d_xoF) и точки A (d_xoA), причем d_xoF больше 0, d_xoA меньше 0 (фиг. 1) и d_xoF меньше 0, d_xoA больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d_xoF и d_xoA и в конечном итоге к выходу судна 1 на заданную линию 2 положения ДП 2; во втором случае (фиг. 2) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d_xoF, d_xoA и к выходу судна на заданную линию 2 положения ДП.

На фиг. 3, 4 ДП 3 судна 1 не пересекает заданную линию 2 положения ДП, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 3 и отрицательные на фиг. 4. Знак σ и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α₁ и α₂ (α₁ больше α₂, если знаки поперечных смещений точек F и А одинаковы (фиг. 3, 4), α₁ и α₂ будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и А противоположны (фиг. 1, 2). Соотношение значений коэффициентов α₁ и α₂ может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления движения судна от заданного линией положения ДП будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:

,

где l - расстояние между точками F и А.

Для обеспечения вывода позиционирующего судна в заданную точку D, условием которого является совпадение положений точек C и D на плоскости, формируют дополнительный сигнал управления, по закону

δS=k_Sd_S,

где k_S - коэффициент усиления по продольному смещению условной точки D от линии, перпендикулярной заданной линии (условно линия L1) и проходящей через заданную точку C (условно линия L2), это положительная величина. Возможны два варианта отклонения точки C от линии L2, здесь же указаны знаки соответствующих отклонений d_S. Текущее положение точки C, расположенной в пределах корпуса судна в его ДП, определяют исходя из значений текущих координат носовой F и кормовой A точек. Однако при выполнении ряда ключевых судовых операций требуется периодическое изменение как положения заданной точки O (начало координатной системы X_oOY_o) на плоскости (фиг. 5), так и направление ДП судна (положительное направление оси OY_o). При этом положение точки O на плоскости определяется ее заданными координатами, а заданное направление оси OY_o заданной величиной угла поворота относительно направления на N (норд). Заданные координаты точки O и заданный угол поворота оси OY_o могут задаваться как вручную судоводителем, управляющим судном, так и автоматически по заданной программе плавания в процессе сложного маневрирования. Например, при выполнении динамического позиционирования заданный угол поворота оси OY_o определяется направлением ветра и волнения, имеющим переменный характер во времени, то есть ДП позиционирующего судна в целях минимизации энергетических затрат на приведение судна в заданное положение должно удерживаться носом на ветер, поэтому при изменении направления ветра, направление оси OY_o должно меняться. В ходе выполнения швартовной операции меняется не только заданное направление оси OY_o, но и заданное положение начала координатной системы X_oOY_o с целью минимизации энергетических затрат на выполнение швартовной операции и обеспечение ее безопасности. Таким образом, позиционирование судна в заданной точке сопряжено с периодическим изменением угла поворота его ДП в заданном направлении, а позиционирование судна на заданной траектории сопряжено с периодическим изменением положения заданной точки О и заданного направления оси OY_o. Способ управления движением судна, рассматриваемый в качестве прототипа (Пат. РФ №2509030, опубл. 10.03.2014), не обеспечивает в полной мере выполнение условий энергетической эффективности и безопасности при осуществлении позиционирования судна в заданной точке и на заданной траектории, так как не предусматривает возможные изменения положения заданной точки O и заданного направления оси OY_o, неизбежные при позиционировании как в заданной точке, так и на заданной траектории.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в приведении судна в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движения судна по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

Для достижения указанного технического результата в способе управления движущимся судном, когда в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 1-5), а другая к корме судна (точка A на фиг. 1-5) относительно плоскости мидель - шпангоута. Расстояние между точками F и A выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления положением судна относительно заданной линии положения ДП.

Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.

Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные смещения точки F (d_xoF) и точки A (d_xoA) от заданной линии положения ДП. Причем поперечное смещение точки от заданной линии положения ДП считается положительным, если она смещается вправо, и отрицательным, если она смещается влево (фиг. 1-5).

Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна, по закону:

σ=α₁×d_xoF+α₂×d_xoA,

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной линии положения ДП. Это положительные величины, причем α₁ больше α₂. Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна 1 от заданной линии 2 положения ДП 3. Например, (фиг. 1, 2) ДП 3 судна 1 пересекает заданную линию 2 положения ДП 3 под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d_xoF) и точки A (d_xoA), причем d_xoF больше 0, d_xoA меньше 0 (фиг. 1) и d_xoF меньше 0, d_xoA больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1.) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна 1 против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d_xoF и d_xoA и в конечном итоге к выходу судна 1 на заданную линию 2 положения ДП; во втором случае (фиг. 2) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d_xoF, d_xoA и к выходу судна 1 на заданную линию 2 положения ДП.

На фиг. 3, 4 ДП 3 судна 1 не пересекает заданную линию 2 положения ДП 3, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные (фиг. 3) и отрицательные (фиг. 4). Знак σ и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α₁ и α₂ (α₁ больше α₂, если знаки поперечных смещений точек F и А одинаковы (фиг. 3, 4); α₁ и α₂ будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и А противоположны (фиг. 1, 2).

В прототипе для обеспечения вывода позиционирующего судна 1 в заданную точку D, условием которого является совпадение положений точек С и D на плоскости, формируют дополнительный сигнал управления, по закону

δS=k_Sd_S,

где k_S - коэффициент усиления по продольному смещению условной точки D от линии, перпендикулярной заданной линии (условно линия L1) и проходящей через заданную точку C (условно линия L2), это положительная величина. На Фиг. 5 показаны два возможных варианта отклонения точки C от линии L2, здесь же указаны знаки соответствующих отклонений d_S. Текущее положение точки C, расположенной в пределах корпуса судна в его ДП, определяют исходя из значений текущих координат носовой F и кормовой А точек.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:

- для обеспечения вывода и удержания управляемого судна в заданном положении, когда ДП судна совпадает с положительным направлением оси OY_o, а условная точка судна G совпадает с положением точки О на поверхности Земли, формируют два сигнала управления:

где d_xoF, d_yoF - отклонения носовой точки судна от оси OY_o и ОХ_o соответственно (фиг. 5); d_xoA, d_yoA - отклонения кормовой точки судна от оси OY_o и ОХ_o соответственно; знаки отклонений d_xoF, d_yoF и d_xoA, d_yoA определяют с учетом места расположения соответствующей точки (F или А) в координатной системе X_oOY_o; α₁, α₂, β₁, β₂ - коэффициенты усиления, подбираемые специально для конкретного судна и конкретной судовой ключевой операции с целью повышения качества управления при ее выполнении; значения коэффициентов α₁, α₂, β₁, β₂ могут быть определены компьютерным моделированием конкретной судовой ключевой операции, например, α₁=-1,1; α₂=0,9; β₁=-1,0; β₂=-1,0. Сигнал σ_y считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. Сигнал σ_х считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом;

- дополнительно формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (φ_от, λ_от) и заданных (φ_оз, λ_оз) координат точки О, сигнал на изменение положения начала координатной системы X_oOY_o(σ_o):

σ_o=χ₁×(φ_оз-φ_от)+χ₂×(λ_оз-λ_от),

где φ_от, λ_от - текущие значения широты и долготы точки О соответственно; φ_оз, λ_оз - заданные значения широты и долготы точки О соответственно; χ₁, χ₂ - коэффициенты усиления.

Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY_o относительно направления на N с учетом значений текущего Ψ_т и заданного Ψ_з угла поворота:

σ_Ψ=γ×(Ψ_з-Ψ_т),

где γ - коэффициент усиления.

При этом значения заданных координат (φ_оз, λ_оз) начала координатной системы X_oOY_o определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования, например, при выполнении швартовной операции.

Значение заданного направления оси OY_o определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна. В частности, при позиционировании судна в заданной точке указанное направление определяют с учетом текущего значения направления ветра в районе позиционирования.

Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы X_oOY_o на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.

Предлагаемый способ управления движущимся судном для приведения его в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движении судна по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции осуществляется следующим способом:

в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 1-5), а другая к корме судна (точка A на фиг. 1-5) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками F и А выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением позиционирующего судна относительно оси OY_o.

Координаты точек F и А определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.

Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F (d_xoF) и точки A (d_xoA) от оси OY_o и продольные отклонения точки F(d_yoF) и точки A (d_yoA) от оси ОХ_o. Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы X_oOY_o, в котором находятся точки F и А.

Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:

σ_y=α₁×d_xoF+α₂d_xoA,

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY_o. Сигнал σ_y считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна 1 от оси OY_o 2. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна 1 пересекает ось OY_o 2 под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d_xoF) и точки А (d_хоA), причем d_xoF больше 0, d_xoA меньше 0 (фиг. 1) и d_xoF меньше 0, d_xoA больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d_xoF и d_xoA и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY_o; во втором случае (фиг. 2) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d_xoF, d_xoA и к совпадению ДП судна и оси OY_o.

На фиг. 3, 4 ДП 3 судна 1 не пересекает линию OY_o 2, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 3 и отрицательные на фиг. 4. Знак σ_у и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α₁ и α₂ (α₁ больше α₂, если знаки поперечных смещений точек F и А одинаковы, фиг. 3, 4; α₁ и α₂ будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и А противоположны, фиг. 1, 2). Соотношение значений коэффициентов α₁ и α₂ может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП 3 судна 1 от линии OY_o будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:

где l - расстояние между точками F и А.

Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:

σ_х=β₁×d_yoF+β₂d_yoA

где β₁, β₂ - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси ОХ_o. Сигнал σ_х считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку О в процессе выполнения ключевой судовой операции будет обеспечиваться исходя из условия

Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (φ_от, λ_от) и заданных (φ_оз, λ_оз) координат точки О сигнал на изменение положения начала координатной системы X_oOY_o (σ_o):

σ_о=χ₁×(φ_оз-φ_от)+χ₂×(λ_оз-λ_от),

где φ_от, λ_от - текущие значения широты и долготы точки О соответственно; φ_оз, λ_оз - заданные значения широты и долготы точки О соответственно; χ₁, χ₂ - коэффициенты усиления.

Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY_o относительно направления на N с учетом значений текущего Ψ_т и заданного Ψ_з угла поворота:

σ_Ψ=γ×(Ψ_з-Ψ_т),

где γ - коэффициент усиления.

При этом значения заданных координат (φ_оз, λ_оз) начала координатной системы X_oOY_o определяют исходя из заданного положения судна 1 на заданной траектории маневрирования, например, при выполнении швартовной операции.

Значение заданного направления оси OY_o определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна. В частности, при позиционировании судна в заданной точке указанное направление определяют с учетом текущего значения направления ветра в районе позиционирования.

Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы X_oOY_o на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.

В результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата - обеспечение приведения судна в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движения судна по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, например швартовной операции или позиционирования в заданной точке.

Способ управления движущимся судном. При данном способе в пределах контура судна в его диаметральной плоскости (ДП) выбирают на носу и корме судна точки, относительно которых производят непрерывные измерения координат с высокой точностью (±1м) и непрерывно вычисляют смещения этих точек от заданной линии положения ДП. На основе этих смещений вырабатывают сигналы для отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по определенному закону. При этом используют определенную координатную систему, меняют ее положение и ориентацию на плоскости с учетом особенностей маневрирования судна и с учетом текущего направления ветра, а коэффициенты усиления подбирают специально для конкретного судна и конкретной судовой ключевой операции. Обеспечивается энергетическая эффективность и безопасность выполнения ключевой судовой операции. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления движущимся судном, характеризующийся тем, что в пределах контура судна в его диаметральной плоскости (ДП) выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна точка F, а другая к корме судна точка A относительно плоскости мидель-шпангоута, координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), значения координат используют для непрерывного вычисления поперечных смещений точки F (d_xoF) и точки A (d_xoA) от заданной линии положения ДП, на основе возникающих поперечных смещений вырабатывают сигнал для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
σ=α₁×d_xoF+α₂×d_xoA,
где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной линии положения ДП, это положительные величины, причем α₁ больше α₂, используют координатную систему X_oOY_o, меняют ее положение и ориентацию на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции, для обеспечения вывода и удержания управляемого судна в заданном положении, когда ДП судна совпадает с положительным направлением оси OY_o, а условная точка судна G совпадает с положением заданной точки О, началом координатной системы X_oOY_o, на поверхности Земли, формируют два сигнала управления:
σ_y=α₁×d_xoF+α₂d_xoA;
σ_х=β₁×d_yoF+β₂d_yoA,
где d_xoF, d_yoF - отклонения носовой точки судна от оси OY_o и ОХ_o соответственно, d_xoA, d_yoA - отклонения кормовой точки судна от оси OY_o и ОХ_о соответственно; знаки отклонений d_xoF, d_yoF и d_xoA, d_yoA определяют с учетом места расположения соответствующей точки (F или А) в координатной системе X_oOY_o, дополнительно формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (φ_от, λ_от) и заданных (φ_oз, λ_оз) координат точки O сигнал на изменение положения начала координатной системы X_oOY_o (σ_o):
σ_о=χ₁×(φ_оз-φ_от)+χ₂×(λ_оз-λ_oт),
где φ_от, λ_от - текущие значения широты и долготы точки О соответственно; φ_оз, λ_оз - заданные значения широты и долготы точки О соответственно; χ₁, χ₂ - коэффициенты усиления, формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY_o относительно направления на N (север) с учетом значений текущего Ψ_т и заданного Ψ_з угла поворота:
σ_Ψ=γ×(Ψ_з-Ψ_т),
где γ - коэффициент усиления, при этом значения заданных координат φ_оз, λ_оз начала координатной системы X_oOY_o определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования, например, при выполнении швартовной операции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение заданного направления оси OY_o определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна, в частности при позиционировании судна в заданной точке указанное направление определяют с учетом текущего значения направления ветра в районе позиционирования.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты усиления α₁, α₂, β₁, β₂ подбирают специально для конкретного судна и конкретной судовой ключевой операции с целью повышения качества управления при ее выполнении, при этом значения коэффициентов α₁, α₂, β₁, β₂ могут быть определены компьютерным моделированием конкретной судовой ключевой операции, например, α₁=-1,1; α₂=0,9; β₁=-1,0; β₂=-1,0.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнал σ_y считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки, сигнал σ_х считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом.