Способ управления движущимся судном

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 G, 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 №2553610, опубл. 25.06.2015).

Способ заключается в том, что в пределах контура судна в его ДП выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 1-5), а другая к корме судна (точка А 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:

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY₀. 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 от оси OY_o. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна пересекает ось OY_o под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d_xoF) и точки А (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 (*) 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 судна не пересекает линию OY_o, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 3 и отрицательные на фиг. 4. Знак σ_y 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 судна от линии OY_o будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:

,

где - расстояние между точками F и А.

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

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):

,

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:

,

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.

Однако при выполнении ряда ключевых судовых операций изменение положения заданной точки О (начало координатной системы X_oOY_o) на плоскости, а также направления ДП судна (положительное направление оси OY_o) необходимо соблюдать условие прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров движения судна (υ_х - продольная составляющая линейной скорости υ судна; υ_y - поперечная составляющая линейной скорости υ судна; ω - угловая скорость судна), так как в процессе движения судна из одной точки в другую кинематические параметры его движения не всегда остаются постоянными, исходя из целей и задач выполняемого маневрирования. Так, например, в процессе швартовки судна кинематические параметры его движения будут постоянно меняться, отвечая требованиям безопасности ее выполнения. При этом в конечной стадии швартовки кинематические параметры движения швартующегося судна, исходя из требований безопасности выполнения швартовки, должны иметь нулевые значения (υ_х=0; υ_у=0; ω=0). То же самое можно сказать и о маневрировании судна при динамическом позиционировании, когда в заданной позиционной точке указанные кинематические параметры движения судна должны иметь те же значения, что и в конечной стадии швартовки.

Способ управления движением судна, рассматриваемый в качестве прототипа (Пат. РФ №2553610, опубл. 05.06.2015), не обеспечивает в полной мере выполнения условий энергетической эффективности и безопасности при выполнении ряда ключевых судовых операций, так как не предусматривает возможные необходимые изменения кинематических параметров движения судна при переходе его из одной точки в другую, заданную положением координатной системы X_oOY_o, как ее началом (точка О), так и положительным направлением оси OY_o.

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 учетом соблюдения условия прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров его движения 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 А 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:

,

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY₀. Сигнал σ_у 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 от оси OY_o. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна пересекает ось OY_o под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d_xoF) и точки А (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 (*) 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 судна не пересекает линию OY_o, 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 судна от линии OY_o будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:

,

где - расстояние между точками F и А.

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

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):

,

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:

,

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.

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

для обеспечения вывода и удержания управляемого судна в заданном положении, когда ДП судна совпадает с положительным направлением оси OY_o, условная точка судна G совпадает с положением точки О на поверхности Земли, а кинематические параметры движения судна в заданной точке соответствуют требованиям энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, дополнительно формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (υ_хт, υ_ут, ω_т) и заданных (υ_хз, υ_уз, ω_з) кинематических параметров движения судна сигнал на их изменение:

где υ_хз, υ_уз - заданные значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; υ_хт, υ_ут - текущие значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; ω_з - заданное значение угловой скорости судна; ω_т - текущее значение угловой скорости судна; κ₁, κ₂, κ₃ - коэффициенты усиления.

При этом заданные значения кинематических параметров движения судна (υ_хз, υ_уз, ω_з) определяют исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

Коэффициенты усиления (κ₁, κ₂, κ₃) подбирают специально для конкретного судна исходя из особенностей его маневрирования при выполнении конкретной судовой ключевой операции с целью повышения качества ее выполнения.

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

На фиг. 1, 2, 3, 4 изображены возможные варианты отклонения судна от оси OY₀, на фиг. 5 - управление судном предлагаемым способом.

Предлагаемый способ управления движущимся судном для приведения судна в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движения судна по заданной траектории с учетом соблюдения условия прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров его движения исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции осуществляется следующим образом:

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 А 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:

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY₀. Сигнал σ_у 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 от оси OY_o. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна пересекает ось OY_o под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d_xoF) и точки А (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 (*) 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 судна не пересекает линию OY_o, 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 судна от линии OY_o 2 будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:

,

где - расстояние между точками F и А.

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

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):

,

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:

,

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, меняют положение и ориентацию координатной системы X_oOY_o на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.

Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (υ_хт, υ_ут, ω_т) и заданных (υ_хз, υ_уз, ω_з) кинематических параметров движения судна сигнал на их изменение:

,

где υ_хз, υ_уз - заданные значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; υ_хт, υ_ут - текущие значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; ω_з - заданное значение угловой скорости судна; ω_т - текущее значение угловой скорости судна; κ₁, κ₂, κ₃ - коэффициенты усиления.

При этом заданные значения кинематических параметров движения судна (υ_хз, υ_уз, ω_з) определяют исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

Коэффициенты усиления (κ₁, κ₂, κ₃) подбирают специально для конкретного судна исходя из особенностей его маневрирования при выполнении конкретной судовой ключевой операции с целью повышения качества ее выполнения.

Таким образом, судно приходит в заданную точку на плоскости с заданными из условий энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции кинематическими параметрами движения судна.

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 учетом соблюдения условия прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров его движения исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.