Способ отслеживания запланированного маршрута морского подвижного объекта

Изобретение относится к области судовождения, в частности к системам управления и отслеживания движения морских подвижных объектов (МПО) по запланированным маршрутам.

Способ может использоваться в судовых и береговых интеллектуальных, автоматических и автоматизированных системах управления и контроля заданных режимов движения МПО по запланированному маршруту.

Известны запатентованные способы управления МПО по заданному маршруту [1-4], в которых сигнал на рулевой привод вырабатывается на основе данных от датчиков руля, угловой скорости, курса и задатчика угла курса - путевого угла, сформированного блоком маршрута по широтам и долготам путевых точек.

Известен запатентованный способ управления судном по заданному маршруту [5], основанный на выработке управляющего сигнала на рулевое устройство в зависимости от поперечных отклонений от запланированного маршрута двух точек, разнесенных по длине судна.

Недостатками этих способов являются: пренебрежение важными физико-математическими принципами формализации и задания маршрута, режимов движения МПО, процессов их отслеживания системой управления:

1. Способы основаны на упрощенном представлении маршрута отрезками прямых линий и дугами окружностей с постоянными кинематическими параметрами движения;

2. Принципы организации отслеживания маршрута системой управления основаны на методах преследования (погони), т.е. не по специальным алгоритмам, разработанным под решение задачи отслеживания;

3. В явном виде не учитываются маневренные качества МПО, как при задании маршрута, так и при его отслеживании системой управления;

4. Не обеспечивается точность отслеживания маршрута и режимов движения, соизмеримая с точностью методов определения местоположения МПО.

За прототип, реализующий принцип отслеживания маршрута системой управления МПО, принят запатентованный способ [6], основанный на решении обратных задач динамики с иерархическим принципом формирования управляющего воздействия в виде требуемого угла перекладки руля МПО для компенсации отклонений фактических от программных при движении по запланированному и сгенерированному в систему управления МПО физически реализуемому маршруту, сформированному с помощью универсальных сигмоидальных траекторных функций (СТФ), предложенных в исследовании [7]:

(1)

где Π - обобщенное обозначение кинематического параметра движения МПО, выбираемое из кортежа; 0, i, с - индексы начального, текущего значений и рассматриваемого управляющего воздействия из кортежа; Δ, g_Π - знаки приращений и составляющих градиента по соответствующим кинематическим параметрам; mn, max - значение параметра в средней точке маневра и максимальное; - поправка, учитывающая смещение СТФ из начальных условий маневра; - расстояние по маршруту от начальной позиции до текущей и до точки перегиба СТФ; - коэффициент изменения наклона СТФ от управляющего воздействия; K_Π - коэффициент, определяющий изменение после приложения управляющего воздействия; n - частота вращения винта; δ - угол перекладки руля; V_g - скорость центра тяжести (ЦТ) МПО относительно грунта; ψ - курс МПО; α - угол дрейфа в ЦТ МПО; ϕ - вектор скорости перемещения ЦТ МПО.

Недостатками прототипа являются:

1. Не в полном объеме учитываются особенности задания маршрута и режима движения на базе СТФ. Подход к решению комплексной проблемы задания и отслеживания маршрута не единообразен, по сути;

2. Не учитываются в явном виде маневренные качества МПО;

3. Практическая реализация способа на МПО возможна при наличии датчиков, непрерывно измеряющих продольную и поперечную скорости движения относительно грунта, а также ускорения.

4. Способ предполагает значительное количество коэффициентов и сложный процесс их установления.

Целью предлагаемого способа отслеживания маршрута системой управления МПО является обеспечение большей эффективности, точности и безопасности судовождения в стесненных водах.

При этом решаются следующие задачи:

1. Задание физически реализуемого маршрута, со скоординированными и согласованными изменениями программных движений, учитывающими маневренные качества МПО;

2. Создание способа, основанного на иерархическом принципе построения, в явном виде учитывающем маневренные качества МПО, организованного на единообразных принципах задания маршрута с режимами движения и автоматическом отслеживании системой управления движения МПО по запланированному маршруту.

Поставленная цель достигается тем, что предложенный способ решает поставленные задачи из сформулированных условий отслеживания заданного маршрута системой управления МПО.

Способ отслеживания маршрута морского подвижного объекта (МПО) и режимов движения, заключающийся в том, что на основе иерархического принципа устанавливаются обобщенные равенства, однозначно определяющие условия отслеживания запланированного маршрута по поперечному отклонению, тенденции и скорости для некоторой точки МПО, например, центра тяжести (ЦТ), относительно ближайшей точки на запланированном маршруте, отличающийся тем, что на первом уровне иерархии определяется требуемый угол поворота МПО:

(2)

где ψ_т - управляющая функция в виде требуемого угла поворота МПО; ψ_п - запланированный по маршруту курс МПО; k₁, k₃, k₃ - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты усиления системы траекторного управления; боковое отклонение МПО относительно запланированного маршрута, и скорость его изменения; T - постоянная времени переходного процесса; t - текущее время; g_Δxy - максимальная скорость изменения координат при движении по траектории выхода на запланированный маршрут, а для его отслеживания на втором уровне иерархии определяется требуемое управляющее воздействие в виде угла перекладки руля:

(3)

где - текущий курс МПО; max - максимальное значение параметра; k_ψ1, k_ψ3, k_ψ3 - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты усиления системы управления курсом; - соответственно: угловые ускорения МПО и по требуемому углу поворота; δ - угол перекладки руля; k_Π - коэффициент, соответствующий углу наклона аппроксимирующей функции в окрестности малых значений управляющих воздействий.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что формируется требуемый угол поворота ψ_т, учитывающий боковое отклонение, тенденцию и скорость для ЦТ МПО, относительно запланированного маршрута, отслеживаемого системой управления, посредством формирования управляющего воздействия, в виде угла перекладки руля δ, по отклонению текущих кинематических параметров движения МПО от параметров физически реализуемого маршрута, с учетом маневренных особенностей МПО.

Первое условие формируется на основе классического ПИД (пропорционально-интегрального-дифференциального) закона управления [8] и определяет задающую функцию требуемого угла поворота по значениям бокового отклонения, его тенденции и скорости движения некоторой точки МПО, например центра тяжести (ЦТ), относительно ближайшей точки на запланированном маршруте (1):

(4)

где k₁, k₂, k₃ - соответственно: пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты усиления системы траекторного управления (СТУ), фиг. 4; - боковое отклонение МПО относительно запланированного маршрута, и скорость его изменения; - управляющая функция в виде требуемого угла поворота МПО.

Второе условие отслеживания требуемого курса системой управления МПО, для обеспечения отслеживания запланированного маршрута также формулируется по принципам классического ПИД регулятора [8]:

(5)

где - текущий курс МПО; k_ψ1, k_ψ3, k_ψ3 - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты усиления системы управления курсом (СУК), фиг. 3, соответственно; - угловые скорости МПО: текущее значение и по требуемому углу поворота.

Из исследования [6] следует, что траектория выхода МПО на запланированный маршрут соответствует уравнению второго порядка (фиг. 1), тогда, руководствуясь принципом задания маршрута на основе СТФ [7] и условием отслеживания маршрута (4) отклонение задающей функции требуемого угла поворота МПО от программного значения примет вид:

(6)

где - запланированный по маршруту курс МПО; g_ΔXY - максимальная скорость изменения координат при движении по траектории выхода на запланированную траекторию; T - постоянная времени переходного процесса; t - текущее время.

Тогда, численное значение требуемого угла поворота МПО, для реализации принципа отслеживания (4) находится из выражения:

(7)

Специально под особенности способа задания маршрута на СТФ (1) формализуется закон управления МПО, представляющий обычный пропорционально-интегральный дифференциальный (ПИД) регулятор [8], структурная схема которого приведена на фиг. 3. Как следует из исследования [7] выражение, характеризующее маневренные особенности МПО, т.е. устанавливающее причинно-следственные связи изменения элементов СТФ (1) от управляющих воздействий (перекладок руля, изменений частоты вращения движителя) получается по данным ходовых испытаний и имеет вид:

(8)

где k_Π - коэффициент, соответствующий углу наклона аппроксимирующей функции в окрестности малых значений управляющих воздействий.

Для достижения заявленных целей в способе, описанном в исследовании [7], в выражении (8), согласно изобретению, кинематический параметр заменяется выражением (5), а именно:

(9)

что позволяет однозначно определить условие отслеживания системой управления МПО фиг. 2, заданного маршрута и режима движения.

После соответствующей замены и преобразования к удобной для решения поставленной задачи форме, получаем искомое выражение для управляющего воздействия, в виде угла перекладки руля:

(10)

Способ позволяет непосредственно учитывать изменения кинематических параметров на запланированном маршруте, заданном СТФ и кинематические параметры движения МПО при отслеживании маршрута системой управления.

Коэффициенты усиления СУК k_ψ1, k_ψ2, k_ψ3 подбираются из условия:

(11)

Указанный технический результат обеспечивается тем, что требуемый угол поворота, из условий отслеживания маршрута и режимов движения (4), определяет управляющее воздействие, в виде угла перекладки руля, из условий (5) с помощью выражения, полученного после преобразования выражения (8), устанавливающего причинно-следственные связи изменения кинематических параметров движения МПО от численного значения управляющих воздействий.

Технический результат предлагаемого изобретения, при соответствующем подборе коэффициентов усиления СТУ и СУК (k₁, k₂, k₃, k_ψ1, k_ψ2, k_ψ3), и строгом учете маневренных особенностей МПО обеспечивает более простую реализацию системы управления МПО (фиг. 2), точное отслеживание физически реализуемого маршрута (фиг. 5), за счет эффективного принципа формирования управляющего воздействия (фиг. 7), в явном виде учитывающем маневренные особенности МПО и параметры физически реализуемого маршрута.

Сущность изобретения состоит в том, что решение задачи отслеживания маршрута МПО и программных движений выполняется на основе иерархического принципа: по боковому отклонению, его тенденции и скорости от запланированного маршрута определяется требуемый угол поворота (7), а по отклонению текущих кинематических параметров движения ЦТ МПО от параметров физически реализуемого маршрута определяется требуемое управляющее воздействие, в виде угла перекладки руля (10).

Заявленное изобретение отличается от прототипа [6] тем, что предлагаемая траектория выхода реализована на основе СТФ (1), требуемый угол поворота (7) учитывает поперечное отклонение, тенденцию и скорость, относительно запланированного маршрута ЦТ МПО, а управляющее воздействие, в виде угла перекладки руля (10) определяется исходя из маневренных особенностей МПО и требуемого угла поворота (7) на основе иерархического принципа.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где показаны:

Фиг. 1. Схематическое представление способа отслеживания маршрута и режима движения: 1 - физически реализуемый маршрут, заданный СТФ (1); 2 - траектория МПО; 3 - местоположение ЦТ МПО; ϕ - направление вектора скорости перемещения ЦТ МПО; ψ_п - программное значение курса МПО при движении по маршруту; ψ_т - управляющая функция в виде требуемого угла поворота МПО; ψ - текущий курс МПО; Δ_xy - боковое отклонение ЦТ МПО от запланированного маршрута; 4 - траектория выхода МПО на запланированный маршрут, полученная по выражению (7); 5 - точка на запланированном маршруте, ближайшая к ЦТ МПО.

Фиг. 2. Структурная схема управления МПО по программному маршруту: СУК - система управления курсом; - измеренная угловая скорость; δ - угол перекладки руля; СУС - система управления скоростью; МПО - объект управления; X_g,Y_g - неподвижные прямоугольные координаты МПО; ВПД - вычислитель программных движений; X_п, Y_п - прямоугольные программные координаты траектории движения; - требуемое значение угловой скорости; СТУ - система траекторного управления.

Фиг. 3. Блок-схема системы управления курсом (СУК) 6 - блок расчета требуемого угла перекладки руля по выражению (10); k_ψ1, k_ψ3, k_ψ3 - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты усиления СУК, соответственно.

Фиг. 4. Блок схема системы траекторного управления: 7 - блок расчета угла перекладки руля по выражению (10).

Фиг. 5. Результаты моделирования отслеживания системой управления заданного маршрута МПО: 8 - программный маршрут; 9 - фактическая траектория движения МПО.

Фиг. 6. Режим отслеживания требуемого угла поворота системой управления МПО при движении по маршруту: 10 - программное значение курса (ψ_п); 11 - курс МПО при движении по маршруту (ψ).

Фиг. 7. Точность отслеживания маршрута, углы перекладки руля МПО, для отслеживания маршрута: 12 - Δ_xy боковое отклонение от программного маршрута; 13 - углы перекладки руля МПО.

Реализация способа осуществляется на основе иерархического принципа, посредством автоматического решения задачи отслеживания запланированного и сгенерированного маршрута на основе СТФ (1), системой управления МПО с помощью формирования, на первом уровне иерархии, требуемого угла поворота (5), а на втором уровне иерархии по требуемому углу поворота - управляющего воздействия в виде угла перекладки руля (8) МПО.

Положительный эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от других известных, аналогичных решений, учтены требования, налагаемые на: свойства кривых, используемых при задании маршрута и организации принципов отслеживания маршрута системой управления:

• координаты точек маршрута и скорости их изменения лежат в пределах физических ограничений маневрирования, учитывающих динамические свойства МПО и исполнительных устройств (винт, руль) и дважды непрерывно-дифференцируемы;

• в принципе отслеживания маршрута и режима движения учтены маневренные качества МПО и физически реализуемого способа задания маршрута и режима движения;

• в рассчитанном управляющем воздействии, в виде угла перекладки руля, учитывается отличие текущих значений кинематических параметров движения МПО от параметров физически реализуемого маршрута непрерывно заданного СТФ (1) в точке, ближайшей к текущей позиции ЦТ МПО.

Использование предлагаемого изобретения повысит качество задания маршрута плавания МПО, точность его отслеживания, безопасность и эффективность выполнения маневров в стесненных водах.

Источники информации

1. Патент 2292289 РФ, МПК⁷ В63Н 25/04, G05D 1/00. Способ автоматического управления движением судна [Текст] / Острецов Г.Э., Клячко Л.М., Белогорцева М.В.; ИПУ РАН им. В.А.Трапезникова. Опубл. 27.01.07.

2. Патент 2452655 РФ, МПК⁷ В63Н 25/04. Способ автоматического управления движением судна [Текст] / Острецов Г.Э., Клячко Л.М.; ИПУ РАН им. В.А.Трапезникова. Опубл. 10.06.12, Бюл. №16.

3. Патент 2483973 РФ, МПК⁷ В63Н 25/04. Способ управления движением судна по заданной траектории [Текст] / Острецов Г.Э., Клячко Л.М., Памухин С.Г.; ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова. Опубл. 10.06.13, Бюл. №16.

4. Патент 2525606 РФ, МПК⁷ В63Н 25/04, G05D 1/00. Устройство и способ автоматического управления движением судна по расписанию [Текст] / Клячко Л.М., Острецов Г.Э.; ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова. Опубл. 20.08.14, Бюл. №23.

5. Патент 2509679 РФ, МПК В63Н 25/00. Способ управления движением судна по заданной траектории [Текст] / Юдин Ю.И., Пашенцев С.В.; ФГБОУ ВПО Мурманский государственный технический университет. Опубл. 20.03.2014, Бюл. № 8.

6. Патент 2596202 РФ, МПК (51) B63H 25/00. Способ управления программными движениями судна по траектории [Текст] / А.С.Васьков, А.А.Мироненко; заявитель и патентообладатель Гос. мор. ун-т им. адм. Ф.Ф.Ушакова. - № 2015114199/11; заявл. 16.04.15; опубл. 27.08.2016, Бюл. № 24 - 12 с.

7. Mironenko, A.A. Methodology of vessel’s program motion on the basis of sigma function [Text]/ Proc. of the 9th IFAC Conf. on Control Applications in Marine Systems. - Osaka, Japan. - 2013. - P. 138-143.

8. Методы классической и современной теории автоматического управления: Т. 3. Методы современной теории автоматического управления [Текст] / Под ред. Егупова. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2000. - 748 с.