Результат интеллектуальной деятельности: 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. 05.06.2015).

Способ заключается в том, что 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 OX_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 (1) 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 l - 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 OX_o. Сигнал σ_x 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.

Однако изменение положения координатной системы X_oOY_o без учета динамических свойств управляемого судна может привести к ситуации, когда поставленная цель планируемого маневра окажется недостижимой, то есть управляемое судно не в состоянии будет выполнить определенную команду на приведение его в заданное положение, соответствующее заданному положению координатной системы X_oOY_o минимум по двум причинам:

- особенности динамических свойств судна с учетом влияния внешних факторов (ветер, волнение, течение, мелководье, ледовые условия) не позволяют выполнить заданный маневр;

- особенности технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна не позволяют реализовать сформированный сигнал управления.

Относительная скоротечность выполнения маневра любой сложности не представляет судоводителю достаточно времени для анализа степени и характера влияния множества факторов на поведение судна. В этих условиях целесообразно использовать возможности бортового компьютера. Для этого необходимо, прежде всего, иметь в памяти компьютера математическую модель судна (ММС) или несколько его моделей, а также адекватное запрограммированное математическое описание характера воздействия внешних факторов на динамические свойства судна.

Известными программными методами в оперативную память бортового компьютера необходимо своевременно вносить значения параметров, характеризующих текущее состояние загрузки судна и внешней среды в районе предполагаемого или планируемого маневрирования и, наконец, если это возможно, используя графические возможности бортового компьютера, предусмотреть присутствие на экране монитора отображения навигационной обстановки в районе маневрирования.

Наличие указанной информации позволит судоводителю заранее, а возможно и непосредственно перед выполнением маневра, смоделировать процесс его протекания при реальном множестве комбинаций управляющих воздействий на судно с использованием технических возможностей его движительно-рулевого комплекса, что позволит установить возможность выполнения маневра в соответствии с целенаправленным перемещением координатной системы X_oOY_o.

На основании вышесказанного можно утверждать, что одним из необходимых условий решения задачи управления судном посредством целенаправленного перемещения координатной системы X_oOY_o, с учетом соблюдения требований безопасности выполнения маневра, является использование прогностических модулей для бортового компьютера на базе ММС, адекватно описывающей его динамику при любом заданном состоянии загрузки судна и разнообразном сочетании внешних факторов.

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 OY_о, на фиг. 5 - управление судном предлагаемым способом.

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 при периодическом изменении заданного положения с использованием ММС для прогнозирования возможности выполнения заданного маневра с учетом динамических свойств судна, влияния внешних факторов на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, 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_о. 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 (1).

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 A (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 (1) 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 l - 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 OX_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_T 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.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного вышеизвестного, наиболее близкого к нему, является:

- для обеспечения вывода управляемого судна в заданное положение, когда ДП судна совпадает с положительным направлением оси OY_o, а условная точка судна G совпадает с положением точки О на поверхности Земли, с использованием бортового компьютера на базе ММС с учетом установленной заданным положением системой координат X_oOY_o заданного места судна на поверхности Земли, прогнозируют возможность выполнения заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции;

- дополнительно, по результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат X_oOY_o положение на поверхности Земли, принимают решение о выполнении заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

Если по результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат X_oOY_o положение на поверхности Земли окажется, что прогнозируемый маневр с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, не выполним, возможны два варианта принятия решения о дальнейшем управлении движением судна:

1-й вариант - маневр не выполняется;

2-й вариант - заданное положение координатной системы X_oOY_o меняют до тех пор, пока планируемый маневр окажется выполнимым по результатам прогнозирования возможности его выполнения с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

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 при периодическом изменении заданного положения с использованием ММС для прогнозирования возможности выполнения заданного маневра с учетом динамических свойств судна, влияния внешних факторов на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, 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 OX_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 OY_o.

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 1 от оси OY_o. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна 1 пересекает ось OY_o 2 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 (1) 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 l - 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 OX_o. Сигнал σ_x 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.

С использованием бортового компьютера на базе ММС с учетом установленной заданным положением системы координат X_oOY_o заданного места судна на поверхности Земли, прогнозируют возможность выполнения заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

По результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат X_oOY_o положение на поверхности Земли, принимают решение о выполнении заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

Если по результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат X_oOY_o положение на поверхности Земли окажется, что прогнозируемый маневр с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, не выполним, возможны два варианта принятия решения о дальнейшем управлении движением судна:

1-й вариант - маневр не выполняется;

2-й вариант - заданное положение координатной системы X_oOY_o меняется до тех пор, пока планируемый маневр окажется выполнимым по результатам прогнозирования возможности его выполнения с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.

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 при периодическом изменении заданного положения с использованием математической модели судна (ММС) для прогнозирования возможности выполнения заданного маневра с учетом динамических свойств судна, влияния внешних факторов на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.