Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна

Авторы патента:


Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна
Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна
Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна
Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна

 


Владельцы патента RU 2493048:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУВПО "МГТУ") (RU)

Изобретение относится к области судовождения и может быть использовано для прогнозирования движения судна при маневрировании. Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна включает использование математической модели движения судна, двух разнесенных по длине диаметральной плоскости судна точек носовой F и кормовой A, определение текущих значений кинематических параметров движения судна в подвижной системе координат ZXОY и на их основе вычисление текущих гидродинамических параметров математической модели движения судна, компьютерное моделирование движения судна на базе последней. Подвижная система координат ZXОY связана с судном. С помощью датчиков ускорений определяют в реальном масштабе времени текущие значения продольных, поперечных и угловых ускорений носовой F (wfx1, wfy1, ε) и кормовой A (wax1, way1, ε) точек в неподвижной системе координат X1О1Y1. На основе этих значений определяют текущие значения кинематических параметров движения судна. Достигается повышение точности прогнозирования движения судна при выполнении им маневрирования. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области судовождения и может быть использовано для прогнозирования движения судна при маневрировании.

Известен способ определения гидродинамических параметров математической модели судна (Пат. РФ №2442718, опубл. 20.02.2012), основанный на измерении с помощью приемников спутниковой навигационной системы с дифференциальными поправками в реальном масштабе времени координат двух определенным образом разнесенных в диаметральной плоскости по длине судна точек, условно названных носовой и кормовой, и определении, с использованием данных измерений текущих координат этих точек, текущих значений кинематических параметров движения судна:

- линейных скоростей носовой F (υf) и кормовой A (υa) точек и их проекций на продольную X (υxf, υха) и поперечную Y (υyf, υya) координатные оси подвижной системы координат ZXОY, связанной с судном;

- абсциссы центра вращения (хо) в системе координат ZXОY;

- проекции вектора линейной скорости в центре тяжести на поперечную ось Y (υy);

- линейной скорости центра тяжести судна (υ);

- радиуса кривизны траектории ЦТ судна (R);

- угловой скорости судна (ω),

которые используют для вычисления текущих значений гидродинамических параметров математической модели судна, на базе которой выполняют компьютерное моделирование с целью прогнозирования движения судна при маневрировании. Данный способ наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип.

Недостатком данного способа является то, что для определения кинематических параметров движения судна приходится прибегать к численному дифференцированию параметров, измеренных с помощью спутниковой навигационной системы, что приводит к снижению точности результатов расчета кинематических параметров движения судна. Указанный недостаток становится более существенным, если точность измерения координат носовой и кормовой точек судна по каким-либо причинам (погодные условия, район плавания и др.) снижается.

Целью предлагаемого способа является исключение отмеченного недостатка при экспериментально-расчетном определении параметров математической модели судна в непрерывном режиме и, как следствие, повышение точности прогнозирования движения судна при выполнении им маневрирования с использованием компьютерного моделирования на базе адекватной математической модели судна.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении точности прогнозирования движения судна при выполнении им маневрирования.

Для достижения указанного технического результата в способе определения гидродинамических параметров математической модели судна, включающем использование математической модели движения судна, двух разнесенных по длине диаметральной плоскости судна точек носовой F и кормовой A, определение текущих значений кинематических параметров движения судна в подвижной системе координат ZXОY, связанной с судном, и на их основе вычисление текущих гидродинамических параметров математической модели движения судна, компьютерное моделирование движения судна на базе последней, используют датчики ускорений, с их помощью определяют в реальном масштабе времени текущие значения продольных, поперечных и угловых ускорений носовой F (wfx1, wfy1, ε) и кормовой A (wax1, way1, ε) точек в неподвижной системе координат X1O1Y1, на их основе определяют текущие значения кинематических параметров движения судна.

Предлагаемый способ поясняется чертежом.

Способ заключается в следующем. Математическая модель судна, используемая для компьютерного моделирования при прогнозировании движения судна в процессе маневрирования, представляет собой систему дифференциальных уравнений, общий вид которых, с учетом известных условностей [1], [2], [3], [4], [5], следующий:

d υ y / d t = f ( υ x , υ y , ω , C 1 , C 2 , C 3 , ) ; d ω / d t = f ( υ x , υ y , ω , C 1 , C 2 , C 3 , ) ; ( 1 ) d ψ / d t = f ( υ x , υ y , ω , C 1 , C 2 , C 3 , ) ; d X 1 / d t = f ( υ x , υ y , ω , C 1 , C 2 , C 3 , ) ; d Y 1 / d t = f ( υ x , υ y , ω , C 1 , C 2 , C 3 , ) ;

где υx, υy - проекции вектора линейной скорости в ЦТ судна на продольную ОX и поперечную ОY оси соответственно;

ψ - курс судна;

X1, Y1 - координаты ЦТ судна в неподвижной системе координат X1О1Y1;

C1, С2, С3, … - параметры математической модели, численные значения которых определяют в зависимости от геометрических элементов погруженной части корпуса судна, которые постоянны при данном состоянии загрузки последнего [1], [2], [3], [4], [5].

В процессе движения судна с помощью акселерометров определяют продольные, поперечные и угловые ускорения носовой F(wfx1, wfy1, ε) и кормовой A (wax1, way1, ε) точек судна в неподвижной системе координат X1О1Y1 и рассчитывают продольные и поперечные составляющие линейных скоростей носовой (υfx1, υfy1) и кормовой (υax1, υay1) точек с использованием известных зависимостей:

υ f x 1 = w f x 1 ( t ) d t ; υ f y 1 = w f y 1 ( t ) d t ; υ a x 1 = w a x 1 ( t ) d t ; ( 2 ) υ a y 1 = w a y 1 ( t ) d t .

Далее рассчитывают продольные и поперечные составляющие линейных скоростей носовой F (υfx, υfy) и кормовой A (υax, υay) точек судна в подвижной системе координат ZXОY, связанной с судном, с учетом воздействия на судно течения в районе маневрирования:

υ f x = υ f x 1 + υ s t cos ( q s t ψ ) ; υ f y = υ f x 1 υ s t sin ( q s t ψ ) ; υ a x = υ a x 1 + υ s t cos ( q s t ψ ) ; ( 3 ) υ a y = υ a y 1 υ s t sin ( q s t ψ ) ,

где υst - скорость течения;

qst - направление течения.

Очевидно, что продольная составляющая линейной скорости судна в любой заданной точке, расположенной на ДП, будет иметь одно значение, следовательно, можно считать, что

υ f x = υ a x = υ x ( 4 )

Используя значения абсциссы носовой точки F в системе координат ZXОY (xf) и абсциссы кормовой точки A в той же системе координат (xa), а также поперечные составляющие линейных скоростей в носовой (υfy) и кормовой (υay) точках, определенных с использованием зависимостей (3), рассчитывают абсциссу центра вращения судна (см. чертеж) xo [1], [2], [3], [4], [5] по формуле:

x o = ( υ a y x f + υ f y x a ) / ( υ f y + υ a y ) . ( 5 )

Поперечную составляющую линейной скорости в ЦТ судна определяют по формуле, полученной по чертежу, а именно:

υ y = [ υ f y ( x o x G ) ] / ( x f x o ) . ( 6 )

Угловую скорость судна

ω = ε ( t ) d t ( 7 )

Текущие значения коэффициентов C1, C2, C3, … рассчитывают в зависимости от геометрических элементов погруженной части корпуса судна, которые постоянны при данном состоянии загрузки последнего [1], [2], [3], [4], [5].

Таким образом, определяют все гидродинамические параметры математической модели судна, входящие в правые части дифференциальных уравнений (1). Вычислив правые части уравнений (1), можно в любой заданный момент времени рассчитать значения параметров, характеризующих движение судна при выполнении маневрирования, а именно υx, υy, ω, ψ, X1, Y1, что позволяет прогнозировать любой маневр до его выполнения с использованием методов компьютерного моделирования.

Литература

1. Басин A.M. Ходкость и управляемость судов / A.M. Басин. - М.

2. Васильев А.В. Управляемость судов: учеб. пособие / А.В.Васильев. - Л.: Судостроение, 1989. - 328 с.

3. Гофман А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна: справочник / А.Д. Гофман. - Л.: Судостроение, 1988. - 360 с.

4. Соболев Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения / Г.В. Соболев. - Л.: Судостроение, 1976. - 478 с.

5. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т.3: Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / под ред. Я.И. Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985. - 544 с.

1. Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна, включающий использование математической модели движения судна, двух разнесенных по длине диаметральной плоскости судна точек носовой F и кормовой A, определение текущих значений кинематических параметров движения судна в подвижной системе координат ZXОY, связанной с судном, и на их основе вычисление текущих гидродинамических параметров математической модели движения судна, компьютерное моделирование движения судна на базе последней, отличающийся тем, что используют датчики ускорений, с их помощью определяют в реальном масштабе времени текущие значения продольных, поперечных и угловых ускорений носовой F (wfx1, wfy1, ε) и кормовой A (wax1, way1, ε) точек в неподвижной системе координат X1О1Y1, на их основе определяют текущие значения кинематических параметров движения судна.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют следующие значения кинематических параметров:
- линейные скорости носовой F (υf) и кормовой A (υa) точек и их проекции на продольную ОX (υxf, υxa) и поперечную ОY (υyf, υya) координатные оси подвижной системы координат ZXОY, связанной с судном;
- абсциссы центра вращения (xо) в подвижной системе координат ZXОY;
- проекции вектора линейной скорости в центре тяжести на поперечную ось ОY (υy);
- угловую скорость судна (ω).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к судовождению и может быть использовано для прогнозирования движения судна при маневрировании. .

Изобретение относится к судостроению, а именно к системам управления судном, компенсирующих дрейф судна при его движении. .

Изобретение относится к области судовождения и предназначено для автоматического управления движением судна по заданной траектории. .

Катер // 818947

Изобретение относится к управлению траекторией движения судна, выполняющего сложное маневрирование при швартовке, динамическом позиционировании или дрейфе. Способ характеризуется тем, что перед выполнением сложного маневрирования судно выполняет вращение под воздействием средств активного управления, например подруливающего устройства, при этом измеряют величину угловой скорости судна ω и рассчитывают вращающий момент Mpr, образуемый подруливающим устройством. Значения угловой скорости ω и вращающего момента Mpr используют для определения значения гидродинамического коэффициента c2 и величины поперечной составляющей гидродинамической силы Yβ, образующейся на корпусе судна при его движении лагом, по формуле: Yβ=Cyβ0,5ρυ2Fdp, при этом Cyβ≅c2, ρ - массовая плотность воды; υ - линейная скорость судна; Fdp - приведенная площадь диаметрального батокса судна. Повышается эффективность и безопасность выполнения сложного маневрирования судна

Группа изобретений относится к области судовождения, а именно к способу управления движением судна с компенсацией медленно меняющихся внешних возмущений и системе, использующей данный способ. Для управления движением судна с компенсацией медленно меняющихся внешних возмущений используют задатчик курсового угла, приемник спутниковой навигационной системы, рулевой привод, электронную модель движения судна, регулятор-сумматор, интегратор, функциональный преобразователь, датчики угловых ускорений и угловых скоростей, судовой измеритель скорости, судовой многолучевой эхолот, электронную картографическую навигационную информационную систему. Получают управляющий сигнал на вход рулевого привода, используя следующие сигналы: заданного курса и оценки угла курса, невязки, угла перекладки руля, курса с приемника спутниковой навигационной системы. Достигается повышение точности управления движением судна по заданной траектории. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх