Способ натурных испытаний безэкипажных судов Российский патент 2023 года по МПК B63B79/30 G01M10/00 G05D1/00 

Изобретение относится к судостроению, а именно к способам испытаний безэкипажных и автономных надводных судов. Способ может быть использован для определения маневренных характеристик судов в условиях различных гидродинамических нагрузок.

Маневренные характеристики судна - это численные значения элементов циркуляции, рыскания, устойчивости на курсе и тормозного пути, определяемые при проведении натурных испытаний. Существующие способы определения маневренных и ходовых характеристик судов регламентируются Руководством по определению маневренных характеристик судов, НД №2-030101-007 - Российский морской регистр судоходства, 2005 г., Резолюцией Комитета по безопасности на море Международной морской организации MSC. 137(76) «Стандарты маневренных качеств судов», при этом данные документы не приводят точных способов выполнения маневренных испытаний и аппаратуры для регистрации параметров в процессе испытаний. Стандарты маневренных качеств судов выделяют 6 основных качеств маневренности, которые оцениваются путем нормирования соответствующих характеристик: собственная динамическая устойчивость, устойчивость на курсе, начальная поворотливость/способность изменения курса, возможность удерживания судна при повороте, поворотливость и тормозная способность.

Маневренные испытания судов при наличии экипажа на борту выполняются путем подачи команд капитаном или другим лицом, проводящим испытания. При этом суть всех команд сводится к управлению главными двигателями, движителями и рулем (подруливающими устройствами). Результатом выполнения команд являются маневры типа набор скорости или торможение судна, движение при постоянном курсе, «циркуляция», «зигзаг», разворот и т.п. В ходе испытаний фиксируются и измеряются следующие параметры: позиция (координаты) судна; направление диаметральной плоскости судна; скорость судна; угол перекладки руля и скорость перекладки; число оборотов движителя; шаг гребного винта в случае винта регулируемого шага; скорость и направление ветра и т.п. В результате испытаний определяются предельные тактико-технические возможности судна при движении и маневрировании.

Для безэкипажных или автономных судов, управление движением которых производится с использованием аппаратно-программных технических средств, приведенный способ не приемлем.

Известен способ испытаний модели судна в опытовом бассейне по патенту RU №2132796С1, 10.07.1999 ([1]), заключающийся в определении кинематических параметров движения модели буксируемого судна и гидродинамических нагрузок, действующих на нее, при движении модели судна в опытовом бассейне по заданной криволинейной траектории с заданным радиусом циркуляции.

Недостатком известного способа является то, что в процессе испытаний фиксируются параметры движения модели судна по заданной траектории движения тележки в опытовом бассейне, тогда как на реальное судно в условиях открытой водной акватории действуют дополнительные внешние воздействия, связанные с ветровыми нагрузками, течениями воды и неравномерностью работы приводного двигателя, движителей и рулевых устройств, команд членов экипажа судна, что существенно влияет на маневренные качества судна.

Известен способ контроля мореходности судна и устройство для его осуществления, описанный в патенте RU №2467914, опубл. 27.11.2012 ([2]). Способ основан на измерении периода бортовой качки, осадки носом и кормой, периода волны, курсового угла и скорости судна на нерегулярном волнении, определении метацентрической высоты и измерении углового перемещения судна относительно продольной, поперечной и вертикальной центральных осей, измерение истинных высоты волн и курсовых углов прихода волн относительно диаметральной плоскости судна и определении скорости и курсового угла течения и величины потери скорости судна от ветра и волнения. Дополнительно используются спутниковые системы высокого разрешения типа ASTER или SRTM данного района плавания, по которым посредством программ моделирования водной поверхности, атмосферных и астрономических явлений производится рендеринг окружающей обстановки, восстанавливается топология корпуса судна путем построения цифровой модели с учетом волнового и ветрового воздействий.

Недостатком известного аналога является сложность его реализации, связанная с большим количеством измерительных датчиков, которые необходимо устанавливать на судне, тарировать, настраивать и т.п. Кроме того для обработки поступающих данных необходимо использовать несколько разнородных по своему функционалу программных комплексов.

Известен также способ экспериментального определения параметров движения судна с использованием оборудования по патенту RU №144079U1, 10.08.2014 ([3]). Натурные испытания судна основаны на определении набора параметров движения судна с использованием установленного на судне измерительного комплекса определения траектории по заданному углу перекладки руля.

В состав оборудования, реализующего способ, включены датчик угла перекладки руля, инерциальный измерительный модуль, мультиантенная приемная аппаратура спутниковых навигационных систем, антенный модуль, управляющий компьютер и связанная с ними регистрирующая аппаратура. При проведении испытаний антенный модуль принимает сигналы со спутников навигации, затем передает их на мультиантенную приемную аппаратуру спутниковых навигационных систем, где эти сигналы обрабатываются и преобразуются в данные (скорость судна, широта, долгота, а также координаты в декартовой системе, высота в географической системе координат, угол курса судна). Инерциальный измерительный модуль регистрирует значения угла крена и угла дифферента, затем дополняет ими данные, полученные с мультиантенной приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем, и передает их на регистрирующую аппаратуру. На регистрирующей аппаратуре происходит запись полученных данных дополненных показаниями датчика угла перекладки руля. Измерения и запись данных проводится в режиме реального времени. Управление работой инерциального измерительного модуля производится при помощи управляющего компьютера.

Основным недостатком известного способа ([3]). также как и известных аналогов (патенты CN №106568444 А. 19.04.2017 ([4]). CN №110516877 А. 29.11.2019 ([5]), CN №110979594 A. 10.04.2020([6]), является отсутствие наглядности за контролем движения безэкипажного судна на заданном маршруте при проведении испытаний в реальных условиях плавания.

Техническим результатом от использования также известного изобретения (патент RU №2735694 С1, 05.11.2020 ([7]), является расширение функциональных возможностей способа за счет возможности проведения испытаний безэкипажных и автономных судов, повышение точности результатов испытаний, упрощение технических средств для маневренных испытаний судов.

Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе натурных испытаний безэкипажных судов, основанном на измерении параметров движения судна с использованием установленного на судне измерительного комплекса с входящей в его состав мультиантенной системы приема сигналов спутниковых навигационных систем и микрокомпьютера для обработки сигналов мультиантенной системы в котором, измеренные параметры сравниваются с проектными характеристиками судна с возможностью передачи полученных результатов по радиоканал, на автоматизированное рабочее место оператора для последующего хранения, обработки и анализа переданных результатов, при этом измерительный комплекс выполнен функционально не зависимым от бортовой навигационной аппаратуры ([7]).

Для получения необходимого технического результата в способе выполняется следующая последовательность действий: оператором с автоматизированного рабочего места задается движение судну со скоростью V_i по маршрутным точкам П₁, П₂, …П_n, определяемым географическими координатами (широтой, долготой), с формированием прямолинейных участков е заданной длиной S₁, S₂ …S_n и разворотных участков с заданным радиусом разворота R₁, R₂, …R_n, при этом каждый прямолинейный и радиусный участок (S_z и R_z) формируют отдельный этап испытаний - Z, каждый последующий из которых - Z+1 усложняется за счет сокращения прямолинейного участка S_z+1 и уменьшения радиуса разворотного участка R_z+1 - при этом при прохождении каждого этапа испытаний с помощью мультиантенной системы сигналов спутниковых навигационных систем измеряют фактическую длину пройденного маршрута на участке - s_z, фактический радиус разворота при переходе между прямолинейными участками - r_z, фактическую скорость прохождения участка - v_z, фактическое время прохождения расстояния - t_z, максимальное боковое отклонение от заданной линии пути - b_z, между маршрутными точками, полученные данные передаются оператору для определения соотношения измеренных и заданных параметров движения судна: S_n=s_i/S_i [%]; R_n=r_i/R_i [%]; V_n=v_i/V_i [%]; T_n=t_i/T_i; B_n=b_i/B_o [%], при этом если при прохождении судном соответствующего участка соотношения указанных параметров находятся в пределах 90-110%, то считают, что судно удачно прошло этот этап испытаний и может быть допущено до следующего этапа, если соотношения выходят за пределы 110%, то считают, что судно не прошло этот этап и достигло своих максимальных ходовых и маневренных характеристик.

Сущность известного способа ([7]) заключается в определении маневренных и ходовых характеристик безэкипажного судна путем сравнения измеренных параметров движения судна с его проектными характеристиками в условиях поэтапного усложнения маршрута движения и выполнения маневров судном, включающего прямые и разворотные участки. Указанный результат достигается за счет использования независимого измерительного комплекса, обеспечивающего определение текущего географического положения (широта, долгота), скорости и курса движения судна. Эти данные обрабатываются в автоматическом режиме с использованием микрокомпьютера, делается вывод о различных отклонениях от расчетного маршрута движения судна, результаты по радиоканалу передаются оператору. Таким образом, способ позволяет экспериментальными средствами определить параметры движения судна и выявить маневренные и ходовые качества в различных гидрометеорологических условиях и передать информацию на автоматизированное рабочее место оператора с помощью радиомодема или по сетям мобильной связи для последующего хранения, обработки анализа данных.

Данный способ может быть реализован устройством, содержащим: мультиантенную систему приема сигналов спутниковых навигационных систем, микрокомпьютер для обработки сигналов мультиантенной системы и радиомодем. Устройство выполнено в отдельном корпусе и не связано с навигационной или управляющей системой судна, что обеспечивает ею полную независимость от указанной аппаратуры при проведении натурных испытаний безэкипажных судов.

Недостатком известного способа является низкая информативность получения результатов испытаний, ввиду отсутствия наглядности за контролем движения безэкипажного судна на заданном маршруте при проведении испытаний в реальных условиях плавания. Кроме того, данный способ апробирован в виртуальном режиме с использованием тренажера, что не позволяет оценить его эффективность в реальных условиях плавания.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение информативности получения результатов испытаний безэкипажных судов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе натурных испытаний безэкипажных судов, основанным на измерении параметров движения судна с использованием установленного на судне измерительного комплекса с входящей в его состав мультиантенной системы приема сигналов спутниковых навигационных систем и микрокомпьютера для обработки сигналов мультиантенной системы, измеренные параметры сравниваются с проектными характеристиками судна с возможностью передачи полученных результатов по радиоканалу на автоматизированное рабочее место оператора для последующего хранения, обработки и анализа переданных результатов, при этом измерительный комплекс выполнен функционально не зависимым от бортовой навигационной аппаратуры, при этом оператором с автоматизированного рабочего места задается движение судну со скоростью V_i по маршрутным точкам П₁, П₂, …П_n, определяемым географическими координатами (широтой, долготой), с формированием прямолинейных участков с заданной длиной S₁, S₂, …S_n и разворотных участков с заданным радиусом разворота R₁, R₂, …R_n, при этом каждый прямолинейный и радиусный участок (S_z и R_z) формируют отдельный этап испытаний - Z, каждый последующий из которых - Z+1 усложняется за счет сокращения прямолинейного участка S_z+1 и уменьшения радиуса разворотного участка R_z+1. при этом при прохождении каждого этапа испытаний с помощью му льтиантенной системы сигналов спутниковых навигационных систем измеряют фактическую длину пройденного маршрута на участке - s_z, фактический радиус разворота при переходе между прямолинейными участками - r_z, фактическую скорость прохождения участка - v_z, фактическое время прохождения расстояния - t_z, максимальное боковое отклонение от заданной линии пути - b_z между маршрутными точками, полученные данные передаются оператору для определения соотношения измеренных и заданных параметров движения судна: S_n=s_i/S_i [%]; R_n=r_i/R_i [%]; V_n=v_i/V_i [%]; T_n=t_i/T_i [%]; B_n=b_i/B_o [%], при этом, если при прохождении судном соответствующего участка соотношения указанных параметров находятся в пределах 90-110%. то считают, что судно удачно прошло этот этап испытаний и может быть допущено до следующего этапа, если соотношения выходят за пределы 110%. то считают, что судно не прошло этот этап и достигло своих максимальных ходовых и маневренных характеристик, в котором в отличие от прототипа [7], контроль за движением судна выполняют в реальном режиме движения судна по маршруту путем построения матрицы фактической длины пройденного маршрута и сравнения ее с матрицей заданного маршрута, при этом строят матрицы связности совокупности прямолинейных участков и радиусов разворотных участков маршрута, при построении матрицы заданного маршрута каждой ячейке присваивают координаты и подвергают матрицу нечеткой кластеризации с возможностью определения координат ячеек, через которые проходит заданный маршрут, построение реального маршрута движения судна выполняют итерационно и поэтапно, при этом вследствие логических преобразований, происходящих в ячейках матриц, навигационные параметры учитываются в виде значения функции принадлежности конкретной ячейки к кластеру параметров, превышающих заданные программные параметры, выделяют основные навигационные параметры: расстояние до точки разворота, направление и скорость движения управляемого судна, при этом учитываются текущие параметры движения судна, параметры ветра, углы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей, которые сравниваются с программными значениями угла курса, угловой скорости положения руля, которые определяют в соответствии с моделью движения судна, включающей скорость и направления ветра, углы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей и углы дрейфа и сноса судна, посредством ЭКНИС генерируют линии программного и реального маршрутов с учетом полученной матрицы.

Предлагаемый способ, как и в прототипе [7], включает следующую последовательность действий: Оператор с помощью радиомодема выдает судну задание на движение со скоростью V_i по маршруту, обозначенному точками П₁, П₂, …П_n, которые формируют прямолинейные участки с расчетной длиной S₁, S₂, …S_n и разворотные участки с радиусом разворота R₁, R₂, …R_n. При этом каждый прямолинейный и разворотный участок (например - S_z и R_z) соответствует отдельному этапу испытаний - Z. Каждый последующий этап - Z+1 усложняется за счет сокращения прямолинейного участка S_z+1 и уменьшения радиуса разворотного участка R_z+1.

Кинематические характеристики движения испытуемого судна измеряют с помощью независимой мультиантенной системы приема сигналов спутниковых навигационных систем. Полученные данные могут быть обработаны микрокомпьютером непосредственно на борту судна или оператором на автоматизированном рабочем месте. С целью оценки ходовых и маневренных качеств судна программным методом рассчитываются 5 следующих нормируемых параметров:

S_n=s_i/S_i [%] - отношение фактической (измеренной) длины прямолинейного участка i к заданной длине участка i: R_n=r_i/R_i [%] - отношение фактического (измеренного) радиуса разворотного участка i к заданному радиусу разворота i V_n=v_i/V_i [%]; - отношение фактической (измеренной) скорости движения судна на прямолинейном участке i к заданной скорости движения судна па участке i; T_n=t_i/T_i [%] отношение фактического (измеренного) времени прохождения судном участка i к заданному времени прохождения участка i; B_n=b_i/B_o [%] отношение фактического (измеренного) максимального бокового отклонения судна при прохождении судном участка i на заданной линии пути к заданной ширине участка i.

По значениям полученных соотношений оператор делает вывод о маневренных характеристиках исследуемого судна. Если при прохождении этапа Z судном, соотношения находятся в пределах 90-110%, считается что судно удачно прошло этап испытаний Z и допускается до следующего этапа Z+1. Если они вышли за пределы 1-10%. считается, что судно не прошло этот этап и достигло своих максимальных ходовых и маневренных характеристик.

В отличие от прототипа [7], контроль за движением судна выполняют в реальном режиме движения судна по маршруту путем построения матрицы фактической длины пройденного маршрута и сравнения ее с матрицей заданного маршрута. При этом строят матрицы связности совокупности прямолинейных участков и радиусов разворотных участков маршрута, при построении матрицы заданного маршрута каждой ячейке присваивают координаты и подвергают матрицу нечеткой кластеризации с возможностью определения координат ячеек, через которые проходит заданный маршрут. Построение реального маршрута движения судна выполняют итерационно и поэтапно, при этом вследствие логических преобразований, происходящих в ячейках матриц, навигационные параметры учитываются в виде значения функции принадлежности конкретной ячейки к кластеру параметров, превышающих заданные программные параметры, выделяют основные навигационные параметры: расстояние до точки разворота, направление и скорость движения управляемого судна, при этом учитываются текущие параметры движения судна, параметры ветра, утлы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей, которые сравниваются с программными значениями угла курса, угловой скорости положения руля, которые определяют в соответствии с моделью движения судна включающую скорость и направления ветра, утлы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей и углы дрейфа и сноса судна. Посредством ЭКНИС генерируют линии программного и реального маршрутов с учетом полученной матрицы.

Данный способ может быть реализован устройством, содержащим: мультиантенную систему приема сигналов спутниковых навигационных систем, микрокомпьютер для обработки сигналов мультиантенной системы и радиомодем. ЭКНИС, устройство сопряжения, соединенное с лагом, курсоуказателем, навигационным эхолотом, навигационной РЛС, судовым измерителем ветра и системой автоматического управления движением.

Источники информации.

1. Патент RU №2132796 С1, 10.07.1999.

2. Патент RU №2467914. 27.11.2012.

3. Патент RU 144079. 10.08.2014.

4. Патент CN №106568444 А. 19.04.2017.

5. Патент CN №110516877 А, 29.11.2019.

6. Патент CN №110979594 А. 10.04.2020.

7. Патент RU №2735694 С1.05.11.2020.

Изобретение относится к способу натурных испытаний безэкипажных судов. При проведении испытаний безэкипажных судов измеряют параметры движения судна с использованием установленного на судне измерительного комплекса с мультиантенной системой приема сигналов спутниковых навигационных систем и микрокомпьютера. Сравнивают измеренные параметры с проектными характеристиками судна и передают полученные результаты по радиоканалу на автоматизированное рабочее место оператора для последующего их хранения, обработки и анализа. Контроль за движением судна выполняют в реальном режиме движения судна по маршруту путем построения матрицы фактической длины пройденного маршрута и сравнения ее с матрицей заданного маршрута, при этом строят матрицы связности совокупности прямолинейных участков и радиусов разворотных участков маршрута. При этом учитываются текущие параметры движения судна, параметры ветра, углы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей, которые сравниваются с программными значениями угла курса, угловой скорости положения руля, которые определяют в соответствии с моделью движения судна, включающей скорость и направления ветра, углы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей и углы дрейфа и сноса судна, и посредством ЭКНИС генерируют линии программного и реального маршрутов с учетом полученной матрицы. Достигается повышение достоверности получения результатов испытаний судов.

Способ натурных испытаний безэкипажных судов, основанный на измерении параметров движения судна с использованием установленного на судне измерительного комплекса с входящей в его состав мультиантенной системы приема сигналов спутниковых навигационных систем и микрокомпьютера для обработки сигналов мультиантенной системы, измеренные параметры сравниваются с проектными характеристиками судна с возможностью передачи полученных результатов по радиоканалу на автоматизированное рабочее место оператора для последующею хранения, обработки и анализа переданных результатов, при этом измерительный комплекс выполнен функционально не зависимым от бортовой навигационной аппаратуры, при этом оператором с автоматизированного рабочего места задается движение судну со скоростью V_i по маршрутным точкам П₁, П₂, … П_n, определяемым географическими координатами (широтой, долготой), с формированием прямолинейных участков с заданной длиной S₁, S₂, … S_n и разворотных участков с заданным радиусом разворота R_1, R₂, … R_n, при этом каждый прямолинейный и радиусный участок (S_z и R_z) формируют отдельный этап испытаний - Z, каждый последующий из которых - Z+1 усложняется за счет сокращения прямолинейного участка S_z+1 и уменьшения радиуса разворотного участка R_z+1, при этом при прохождении каждого этапа испытаний с помощью мультиантенной системы сигналов спутниковых навигационных систем измеряют фактическую длину пройденного маршрута на участке - s_z, фактический радиус разворота при переходе между прямолинейными участками - r_z, фактическую скорость прохождения участка - v_z, фактическое время прохождения расстояния - t_z, максимальное боковое отклонение от заданной линии пути - b_z между маршрутными точками, полученные данные передаются оператору для определения соотношения измеренных и заданных параметров движения судна: S_n=s_i/S_i [%]; R_n=r_i/R_i [%]; V_n=v_i/V_i [%]; T_n=t_i/T_i [%|; B_n=b_i/B_o [%], при этом если при прохождении судном соответствующего участка соотношения указанных параметров находятся в пределах 90-110%, то считают, что судно удачно прошло этот этап испытаний и может быть допущено до следующего этапа, если соотношения выходят за пределы 110%, то считают, что судно не прошло этот этап и достигло своих максимальных ходовых и маневренных характеристик, отличающийся тем, что контроль за движением судна выполняют в реальном режиме движения судна по маршруту путем построения матрицы фактической длины пройденного маршрута и сравнения ее с матрицей заданною маршрута, при этом строят матрицы связности совокупности прямолинейных участков и радиусов разворотных участков маршрута, при построении матрицы заданного маршрута каждой ячейке присваивают координаты и подвергают матрицу нечеткой кластеризации с возможностью определения координат ячеек, через которые проходит заданный маршрут, построение реального маршрута движения судна выполняют итерационно и поэтапно, при этом вследствие логических преобразований, происходящих в ячейках матриц, навигационные параметры учитываются в виде значения функции принадлежности конкретной ячейки к кластеру параметров, превышающих заданные программные параметры, выделяют основные навигационные параметры: расстояние до точки разворота, направление и скорость движения управляемого судна, при этом учитываются текущие параметры движения судна, параметры ветра, углы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей, которые сравниваются с программными значениями угла курса, угловой скорости положения руля, которые определяют в соответствии с моделью движения судна, включающей скорость и направления ветра, углы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубины под килем, траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей и углы дрейфа и сноса судна, посредством ЭКНИС генерируют линии программного и реального маршрутов с учетом полученной матрицы.