Способ управления траекторией движения судна

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.

 

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.

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.