Система управления движением для скоростных судов


 


Владельцы патента RU 2577165:

Общество с ограниченной ответственностью "Анфас Ск" (RU)

Система для управления движением для скоростных судов содержит пульт индикации и управления с видеоконтроллером, две группы датчиков динамических перемещений судна положения органов управления, носовые и кормовые двухканальные исполнительные приводы рулевых поверхностей судна, два вычислителя нижнего управления, размещенные в пульте индикации и управления, неблокирующий коммутатор транзакций на основе программируемой пользователем вентильной матрицы FPGA, соединенные определенным образом радиальными каналами связи. Обеспечивается повышение безопасности, отказоустойчивости и живучести системы управления движением судна. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к судостроению, в частности к системам управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, например к системам управления движением судов на подводных крыльях, воздушной подушке или с воздушной каверной.

Известна система автоматического управления судном на подводных крыльях, содержащая один центральный вычислитель, связанный через первую группу переключающих элементов с группой автономных вычислителей, воздействующих на группу исполнительных приводов рулевых поверхностей судна по числу автономных вычислителей через вторую группу переключающих элементов. Информация о состоянии и параметрах движения судна снимается с соответствующих датчиков, общих для всех вычислителей системы [см. патент РФ на изобретение №2081780 от 11.05.1994 г. «Система автоматического управления судном на подводных крыльях»].

В известной системе центральный вычислитель и автономные вычислители подстраховывают друг друга при отказах.

Однако известная система обладает тем недостатком, что в случае отказа какого-либо датчика система перестает выполнять часть своих функций по управлению движением судна.

Известна также система автоматического управления скоростным судном, содержащая пульт индикации и управления, связанный с двумя группами вычислителей, подключенных к датчикам динамических перемещений судна и управляющих двумя группами соответственно носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна. Из пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы каждый вычислитель подключен, по меньшей мере, к одному из вычислителей аналогичной пары другой группы и к соответствующей группе из двух дублирующих друг друга датчиков с образованием самостоятельного канала управления приводами всех рулевых поверхностей судна [см. патент РФ на изобретение №2085430 от 08.08.1995 г. «Система автоматического управления скоростным судном»].

В известной системе парируется отказ одного любого вычислителя и любого датчика судна.

Известная система обладает недостаточной отказоустойчивостью, поскольку при наличии в системе четырех дублирующих друг друга вычислителей она сохраняет работоспособность не при любых двух одновременно отказавших вычислителях, а только если один из них принадлежит к носовой группе, а другой - к кормовой. Кроме того, недостатком известной системы является то, что в случае отказа любого датчика система переходит на одноканальное управление исполнительными приводами, обеспечивающее безопасность плавания, но обладающее ухудшенными динамическими характеристиками.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенному изобретению является система автоматического управления скоростным судном, содержащая пульт индикации и управления, две дублирующих друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы, группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна и не менее двух дублирующих друг друга вычислителей управления, связанных между собой двумя сетевыми каналами связи [см. патент РФ на полезную модель №57028 от 19.04.2006 г. «Система автоматического управления скоростным судном»].

Известная система предназначена для управления движением скоростных судов не только в автоматических, но и ручных режимах, и обладает повышенной отказоустойчивостью и живучестью за счет дублирования не только каналов связи, но и вычислителей управления.

Однако данная система имеет недостаток, заключающийся в том, что к дублированным сетевым каналам связи подключены все абоненты сетевой структуры, что не исключает возможности блокировки одновременно двух дублирующих друг друга сетевых каналов связи из-за единичного отказа в системе.

Перед заявленным изобретением была поставлена задача повышения безопасности, отказоустойчивости и живучести системы управления движением для скоростных судов.

Поставленная задача решается тем, что предложена система управления движением для скоростных судов, содержащая пульт индикации и управления с видеоконтроллером, две дублирующие друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы, группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна и два дублирующих друг друга вычислителя нижнего уровня управления, связанные между собой двумя сетевыми каналами связи.

Новым в предложенной системе является то, что каждый из вычислителей управления подключен к соответствующим датчикам, входам двухканальных исполнительных приводов системы, соответствующим входам видеоконтроллера пульта индикации и управления, а также к внешним системам и друг к другу радиальными каналами связи через соответствующий неблокирующий коммутатор транзакций. При этом неблокирующий коммутатор транзакций выполнен на основе программируемой пользователем вентильной матрицы FPGA, содержащей IP-блоки ядер интерфейсов CAN и UART, адаптированные на прием сообщений по стандарту NMEA-0183 (IEC 61162), а также неблокирующий коммутатор и IP-ядро интерфейса шины FMC Slave, связанное с управляющим микроконтроллером на базе ядра ARM через интерфейс шины FMC Master. Дублирующие друг друга вычислители управления размещены в пульте индикации и управления и подключены по входам разовых команд к соответствующим микропереключателям сдвоенных кнопок управления пульта индикации и управления. Вычислитель с видеоконтроллером пульта индикации и управления дополнительно выполняет функции автомата безопасности системы на верхнем уровне управления и подключен к шине аварийных и предупредительных сигналов.

Технический результат состоит в повышении безопасности, отказоустойчивости и живучести системы за счет исключения возможности блокировки одновременно двух дублирующих друг друга сетевых каналов связи из-за единичного отказа в системе, а также за счет введения в систему верхнего уровня управления.

На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленной системы.

Заявленная система (см. чертеж) содержит пульт индикации и управления 1, группы 2 и 3 дублирующих друг друга датчиков 4 динамических перемещений судна и положения органов управления системы (например, гирокомпас, лаг, спутниковая навигационная система, БИНС, датчик положения штурвала), носовую 5 и кормовую 6 группы двухканальных исполнительных приводов 7 (например, рулей и закрылков судна на подводных крыльях), дублирующие друг друга вычислители нижнего уровня управления 8, сетевые каналы связи 9 (CAN), вычислитель с видеоконтроллером 10 пульта индикации и управления 1 с функциями автомата безопасности системы, подключенного к шине аварийных и предупредительных сигналов, радиальные каналы связи 11 (CAN или RS422), неблокирующий коммутатор транзакций 12, шину разовых команд 13 от сдвоенных кнопок управления пульта индикации и управления (на чертеже не показаны), шину аварийных и предупредительных сигналов 14 (стопорения закрылков, включения и отключения рулевых агрегатов, экстренного сброса оборотов двигателей, сигналов контроля дееспособности вахтенного помощника капитана). Каждый из вычислителей управления подключен к неблокирующему коммутатору транзакций 12 с помощью сетевого канала связи 9. Группы 2 и 3 датчиков 4 системы, двухканальные исполнительные приводы 7 носовой и кормовой групп 5 и 6, внешние системы (например, интегрированный мостик или регистратор данных рейса на чертеже не показаны), вычислитель с видеоконтроллером 10 подключены радиальными каналами связи 11 (CAN или RS422) к неблокирующим коммутаторам транзакций 12, также соединенными между собой каналом связи 11.

Система работает следующим образом.

Режим управления движением судна задается судоводителем кнопками с пульта индикации и управления 1 соответствующей командой, содержащей заданные значения параметров управления, одновременно обоими подключенными шинами 13 к кнопкам пульта индикации и управления 1 вычислителям управления 8. Вычислители управления 8 принимают от датчиков 4 и исполнительных приводов 7 системы через неблокирующие коммутаторы транзакций 12 по каналам связи 11 и 9 информацию о параметрах движения судна, положении рулевых поверхностей судна и состоянии системы управления. При этом каждый из вычислителей 8 по информации с датчиков 4 системы формирует законы управления для всех двухканальных исполнительных приводов 7 как носовой 5, так и кормовой 6 групп рулевых поверхностей судна. Результаты расчетов заданного положения управляющих поверхностей судна от каждого из вычислителей 8 передаются через неблокирующие коммутаторы транзакций 12 по каналам связи 9 и 11 в соответствующие исполнительные приводы 7.

При отсутствии отказов управление приводами 7 носовой и кормовой групп 5 и 6 рулевых поверхностей судна ведется по двухканальной схеме через оба входа каждого привода 7. Контроллеры исполнительных приводов 7 (на чертеже не показаны) с целью контроля осуществляют сравнение результатов расчетов вычислителей 8 между собой и при длительном их несовпадении делается вывод об отказе вычислителей 8, а информация с них перестает использоваться для управления приводами 7 с выдачей соответствующей информации о состоянии системы на пульт индикации и управления 1. Указанная длительность несовпадения расчетов задается для каждого конкретного судна в зависимости от его динамических характеристик. При отказе дублирующих элементов сетевой структуры системы: вычислителей 8, датчиков 4, сетевых каналов связи 9 или неблокирующих коммутаторов транзакций 12 - система переходит на одноканальное управление приводами 7 рулей с выдачей соответствующей информации о состоянии системы на пульт индикации и управления 1, закрылки при этом стопорятся по сигналам на шине 14 вычислителя с видеоконтроллером 10, выполняющего функции автомата безопасности системы.

Суть работы неблокирующего коммутатора транзакций 12 сводится к передаче и приему транзакций (сообщений) от соответствующего вычислителя управления 8 к исполнительным устройствам (приводам 7, датчикам 4) и обратно посредством обмена информацией с вычислителем управления 8 по унифицированному транспортному протоколу. Микроконтроллер на базе ядра ARM (на чертеже не показан) принимает и передает транзакции от исполнительных устройств внешних систем (на чертеже не показаны) в соответствии с их транспортными протоколами, преобразует в унифицированные пакеты и принимает / передает соответствующему вычислителю управления 8. Вычислитель управления 8 может «видеть» все исполнительные устройства одновременно, но устройства «видят» только управляющий микроконтроллер ARM. Благодаря подключению исполнительных устройств по топологии «звезда» в сравнении с топологией «общая шина» повышается скорость обмена информацией, увеличивается отказоустойчивость при выходе из строя любого исполнительного устройства.

Унифицированный транспортный протокол сокращает время разработки программного обеспечения верхнего уровня, так как не требуется разработка планировщика обработки множества асинхронных транзакций. Использование FPGA с необходимым количеством IP-ядер интерфейсов позволяет избежать разработки многопроцессорных вычислительных модулей, что также положительно сказывается на отказоустойчивости системы в целом.

Таким образом, суть реализованной в изобретении системы управления движением для скоростных судов заключается в использовании вместо двух дублирующих друг друга сетевых каналов связи, к каждому из которых подключены все абоненты дублированной сетевой структуры, радиальных связей между дублирующими друг друга вычислителями управления и абонентами сети через неблокирующие коммутаторы транзакций. При этом исключается возможность неработоспособности заявленной дублированной сетевой структуры системы управления при единичных отказах, что немаловажно для обеспечения безопасности плавания быстроходных судов.

1. Система управления движением для скоростных судов, содержащая пульт индикации и управления с видеоконтроллером, две дублирующие друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы, группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна и два дублирующих друг друга вычислителя нижнего уровня управления, связанные между собой двумя сетевыми каналами связи, отличающаяся тем, что каждый из вычислителей управления подключен к соответствующим датчикам, входам двухканальных исполнительных приводов системы, соответствующим входам видеоконтроллера пульта индикации и управления, а также к внешним системам и друг к другу радиальными каналами связи через соответствующий неблокирующий коммутатор транзакций.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что неблокирующий коммутатор транзакций выполнен на основе программируемой пользователем вентильной матрицы FPGA, содержащей IP блоки ядер транспортного уровня интерфейсов CAN и UART, адаптированные под прием сообщений по стандарту NMEA-0183 (IEC 61162), а также неблокирующий коммутатор и IP-ядро интерфейса шины FMC Slave, связанное с управляющим микроконтроллером на базе ядра ARM через интерфейс шины FMC Master.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дублирующие друг друга вычислители управления размещены в пульте индикации и управления и подключены по входам разовых команд к соответствующим микропереключателям сдвоенных кнопок управления пульта индикации и управления.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вычислитель с видеоконтроллером пульта индикации и управления дополнительно выполняет функции автомата безопасности системы на верхнем уровне управления и подключен к шине аварийных и предупредительных сигналов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области судостроения, а именно к водному судну, имеющему улучшенные характеристики для передвижения во льдах, в частности к ледоколу, судну снабжения, грузовому судну или соответствующему судну, имеющему корпус (1), содержащий в кормовой части установку, обеспечивающую продвижение и управление по курсу и содержащую по меньшей мере один выступ (8, 9), выполненный наподобие скега, в котором расположено по меньшей мере одно лопастное устройство (10, 11).

Изобретение относится к области кораблестроения, в основном к сторожевым кораблям и эсминцам. Предложенный корабль представляет собой два корпуса с транцевой кормой, соединенные кормами с помощью управляемого временного крепления.

Изобретение относится к водному транспорту, а именно к судам с подводными крыльями. Средство водного транспорта содержит по меньшей мере одно подводное крыло, регулируемое по высоте.

Изобретение относится к системе транспортировки криогенной текучей среды на шельфе. Плавучая конструкция находится на поверхности моря и содержит установки для обработки.

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса проектирования обводов носовой оконечности корпуса судна. Предложена форма надводной части носовой оконечности судна, образованной поверхностями правого и левого бортов, соединяющимися у форштевня, ограниченной снизу конструктивной ватерлинией судна, представляющей собой носовое заострение корпуса судна выше ватерлинии и имеющей полные носовые обводы.

Изобретение относится к области гидроавиации и касается конструкций корпусов для уменьшения сопротивления при движении высокоскоростных низкосидящих, повышенной килеватости морских судов по водной поверхности.

Изобретение относится к области судостроения и касается вопросов улучшения гидродинамических, технико-эксплуатационных и экологических качеств транспортных судов.

Изобретение относится к области судостроения и касается конструирования обводов корпусов водоизмещающих судов, сочетающих элементы, характерные для обводов однокорпусных судов и тримаранов.

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания разрушающих лед технических средств, работающих в сочетании с ледоколом, для формирования канала для сбора разливов нефти механическим способом.

Изобретение относится к области судостроения и касается конструирования бульбообразной носовой оконечности судна. Предлагается лидирующую оконечность носового бульба подводной части корпуса судна в горизонтальных продольных сечениях выполнять по дуге окружностей радиусом RГ и углом L кругового сектора полуконтакта, равным углу φВ внутреннего трения воды на глубине h (см) от свободной поверхности, L°=φ°В=arctg[1-Св/(γВ·h)]=arctg[1-(0,28/h)], где Св =274,642·10-6 (кг/см2) - удельное сцепление воды, γВ=981·10-6(кг/см3) - удельный вес воды, а в вертикальных продольных сечениях - по дуге окружностей радиусом Rв с углом β кругового сектора полуконтакта, равным углу φВ внутреннего трения воды на глубине h>80 см, β°=φ°В=45°.

Изобретение относится к амфибийным транспортным средствам и касается мореходных скоростных амфибий с изменяемой поверхностью глиссирования. Амфибийное транспортное средство содержит водоизмещающий корпус, силовую установку, трансмиссию, сухопутный и водоходный движители, установленные по бортам силовые цилиндры, связанные со средствами управления. При этом амфибийное транспортное средство также содержит два боковых щитка по бортам корпуса, выполненных с возможностью изменения своего положения относительно корпуса машины, и две управляемые гидродинамические поверхности на кормовых оконечностях боковых щитков, которые могут изменять свое положение относительно основной поверхности. Достигается уменьшение гидродинамического сопротивления, уменьшение потребной мощности при выходе на режим глиссирования, управление дифферентом и креном. 5 ил.

Изобретение относится к области судостроения и касается конструирования водоизмещающего судна с воздушной каверной на днище и гребным винтом, расположенным в диаметральной плоскости судна. Предложено самоходное судна с выемкой на днище, предназначенной для образования единой воздушной каверны, начинающейся с редана в носовой части и ограниченной скегами по бортам и кормовым сводом в виде наклонной плоскости. Полость выемки сообщена с источником воздуха повышенного давления, а внутри выемки размещены продольные кили для ограничения поперечного перемещения воздуха и поперек расположенные козырьки в виде наклонных пластин, следующих друг за другом вниз по потоку. В задней части кормового свода симметрично диаметральной плоскости судна установлена обтекаемая наделка стреловидной формы в плане, предназначенная для защиты гребного винта судна от проникновения на него воздуха, выходящего из единой воздушной каверны. Технический результат заключается в повышении эффективности судна с воздушной каверной на днище. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к судостроению, а именно к тримаранам, полимаранам, и катамаранам. Многокорпусное судно состоит из двух или более корпусов и балок между ними. Судно имеет два или более корпуса, которые соединены между собой двумя поперечными балками, одна из которых соединена с корпусами двумя поперечными подшипниками, а вторая - попарно шаровыми шарнирами или одним шарниром Гука или Кардана, или шарниром равных угловых скоростей (шрусом). Однако другие балки соединены попарно с помощью рычажного механизма, который состоит из одного вертикального рычага или же соединены с помощью рычажно-кулисного механизма, который состоит из одной горизонтальной кулисы и рычага. При этом вторая балка может быть закреплена поперечно на корпусах скользяще поперечно с возможностью поперечного перемещения с помощью следящей автоматической системы. Поперечная балка соединена с каждым корпусом одним или двумя поперечными подшипниками. Достигается уменьшение усилий и смягчение хода на волнении. 6 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области судостроения и касается успокоителей продольной и бортовой качки судов. Успокоитель качки судна содержит крылья-стабилизаторы, закрепленные на корпусе судна. Корпус выполнен с выемками на носовой оконечности. Каждое крыло-стабилизатор закреплено над выемкой с образованием сообщающегося с внешней средой объема. Крылья-стабилизаторы выполнены с возможностью отклонения от корпуса под действием гидродинамической силы, возникающей при погружении носовой оконечности корпуса. Крыло-стабилизатор также снабжено упругим элементом для прижима к корпусу при всплытии. Технический результат заключается в повышении безопасности мореплавания. 2 ил.

Изобретение относится к транспортным средствам повышенной проходимости. Волновой шагающий движитель содержит корпус, в котором установлены коленчатые валы. Одинаковые коленчатые валы установлены в два яруса по вертикали и попарно соединены одинаковыми вертикальными шатунам, и вертикальные шатуны оснащены объемными опорами в нижней их части. Верхний или нижний ряд коленчатых валов введен в зацепление горизонтальным шатуном. Достигается расширение функциональных возможностей волнового шагающего движителя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано для проектирования корпусов судов с возможностью осуществления погрузочно-разгрузочных операций на необорудованном побережье, десантных кораблей, в решении задач освоения ресурсов шельфа. Предложена носовая оконечность корпуса судна, содержащая набор корпуса с обшивкой, снабженный парой бульбов, бульбы размещены симметрично относительно диаметральной плоскости корпуса судна в пределах его ширины, при этом их набор интегрирован в набор корпуса судна и выполнен с возможностью безаварийного опирания на них судна при частичной обсушке его корпуса. Технический результат выражается в том, что повышается устойчивость корпуса судна при взаимодействии с грунтовым основанием, решается проблема снижения волнового сопротивления, обеспечивается возможность снижения высоты носовой аппарели и тем самым снижения высоты надводного борта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к реверсивно-рулевым устройствам судов с водометными движителями. Реверсивно-рулевое устройство водометного движителя включает в себя два вертикальных синхронных руля, которые расположены за соплом. Рули установлены по боковым краям обечайки сопла и снабжены закрылками. В нижних торцах рулей и закрылок имеются наклонные гидродинамические шайбы со стороны диаметральной плоскости водометного движителя. На нижней части сопла установлен козырек в виде продолжения сопла в корму. Рули закреплены в верхней части с помощью баллеров к коробчатой раме, которая выполняет роль верхнего свода реверсивно-рулевого устройства. В нижней части рули закреплены к соплу с помощью обухов. Рули с закрылками могут отклоняться от системы управления синхронно влево и вправо или в противоположные стороны. Коробчатая рама закреплена на верхней части сопла с помощью книц, которые являются носовой стенкой реверсивно-рулевого устройства. Достигается упрощение конструкции и повышение надежности работы реверсивно-рулевого устройства, повышение эффективности и удобства управления судном. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области судостроения и касается конструкции полупогружных судов, предназначенных для эксплуатации в ледовых условиях Арктики и в незамерзающих морях. Предложено универсальное полупогружное крупнотоннажное транспортное судно для плавания в морях с ледовым покровом и на чистой воде, содержащее надводную часть и подводный грузовой корпус, соединенные пилоном, конструкция которого позволяет разрушать ледовый покров. Судно оснащено винторулевыми колонками, расположенными в выкружках носовой оконечности подводного грузового корпуса, размеры которых обеспечивают невыступание лопастей винтов за габаритные размеры судна в нос и на борт и позволяют осуществлять вертикальный поворот осей гондол винторулевых колонок обоих бортов в пределах 20° вниз и вверх относительно основной плоскости, кроме того, оси гребных винтов имеют наклон к ДП на угол от 10° до 20°. Технический результат заключается в улучшении параметров ходкости в ледовых условиях, в первую очередь, ледопроходимости, а также повышении пропульсивных качеств при эксплуатации судна на чистой воде. 4 ил.

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано для проектирования корпусов судов с возможностью осуществления погрузочно-разгрузочных операций на необорудованном побережье, десантных кораблей, в решении задач освоения ресурсов шельфа. Предложена носовая оконечность корпуса судна, содержащая набор корпуса с обшивкой, снабженный парой бульбов, бульбы размещены симметрично относительно диаметральной плоскости корпуса судна в пределах его ширины, при этом их набор интегрирован в набор корпуса судна и выполнен с возможностью безаварийного опирания на них судна при частичной обсушке его корпуса, кроме того, носовая оконечность судна снабжена мощной грузовой стрелой. Приведено выражение для определения выноса грузовой стрелы. Технический результат заключается в повышении устойчивости корпуса судна при взаимодействии с грунтовым основанием, снижении волнового сопротивления, обеспечении возможности снижения высоты носовой аппарели и тем самым снижения высоты надводного борта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области судостроения и касается конструкции глиссирующего судна, предназначенного для перемещения по воде, льду и снегу. Аэросани-амфибия содержат корпус с некилеватым днищем, кабину, двигатель с воздушным винтом и аэродинамические рули. Передняя часть корпуса выполнена в виде упрощенной панели. Воздушный винт смонтирован в передней части корпуса и не выступает над плоскостью панели, и сообщен с атмосферой соосным с осью вращения винта приемным каналом и дополнительными каналами. Отводящий канал воздушного винта сообщен с атмосферой выпускным отверстием и выполнен с наклоном от носа к корме корпуса. Полость отводящего канала снабжена внутренним кожухом на участке. Кромка кожуха, ближняя к воздушному винту, составляет подводящий зазор с внутренней поверхностью панели с возможностью прохода воздуха к винту. Выпускные отверстия дополнительных каналов открыты в зазор между кожухом и стенкой отводящего канала. Аэродинамические рули установлены в сечении выпускного отверстия отводящего канала. Днище по всей длине снабжено продольно ориентированными гофрами. Достигается повышение безопасности эксплуатации, эффективность и мореходность судна. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх