Способ швартовки судна с использованием лазерной системы
METHOD FOR MOORING A SHIP USING A LASER SYSTEM

Заявленное изобретение относится к средствам обеспечения безопасности маневрирования судов при подходе к причалам, судам и надводным объектам.
Известен способ швартовки судна с помощью лазерной системы (Патент на изобретение 2613465 РФ МПК B63B 21/00, G01S 17/87, G01S 17/88, G08G 3/00. Способ швартовки судна с помощью лазерной системы [Текст] / Саранчин А.И., Фарафонова М.А; заявитель и патентообладатель Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского". - №2015149447, заявл. 17.11.2015; опубл. 16.03.2017, Бюл. №8), заключающийся в том, что на кормовой и носовой оконечности судна размещают по одному лазерному измерителю, снабженному датчиком угла наклона лазерного луча, при подходке судна к объекту швартовки наводят лазерный луч каждого лазерного измерителя на выбранную область объекта швартовки, проводят циклы измерений расстояния до объекта швартовки и скорости судна относительно него, при котором устройством передачи-приема каждого лазерного измерителя излучают лазерные лучи и принимают соответственно отраженные, одновременно датчиком угла наклона лазерного луча каждого измерителя определяют угол наклона лазерного луча к плоскости горизонта, результаты измерений направляют из устройства передачи-приема и соответственно из датчика угла наклона лазерного луча каждого измерителя в блок обработки информации, посредством которого получают информационные данные соответственно о кратчайшем расстоянии от носа и кормы судна до объекта швартовки, вычисленную скорость их перемещения до данного объекта, а также и информационные данные о смоделированном положении судна относительно объекта швартовки.
Данный способ наиболее близок к заявляемому техническому решению, поэтому принят за прототип.
Недостатком прототипа является высокая погрешность при измерении расстояния до объекта швартовки и скорости относительно него.
i
Суть заявляемого технического решения состоит в том, что в известном способе швартовки судна с использованием лазерной системы, заключающемся в том, что на кормовой и носовой оконечности судна размещают лазерные измерители, снабженные датчиком угла наклона лазерного луча при подходке судна к объекту швартовки лазерный луч каждого лазерного измерителя наводят на выбранную область объекта швартовки, проводят циклы измерений расстояния до объекта швартовки и скорости судна относительно объекта швартовки, результаты измерений передаются в блок обработки информации, посредством которого получают информационные данные соответственно о кратчайшем расстоянии от носа и кормы судна до объекта швартовки, вычисленную скорость их перемещения до объекта швартовки, а также и информационные данные о смоделированном положении судна относительно объекта швартовки, лазерный измеритель и датчик измерения угла наклона лазерного луча входят в состав модулей измерения дистанции, которые устанавливают в количестве одной или более штук на каждую из оконечностей судна, в состав модуля измерения дистанции также входит система оптико-гироскопической стабилизации, акселерометр и ориентирующие двигатели для изменения положения лазерного измерителя в пространстве, датчик измерения угла наклона лазерного луча измеряет угол наклона лазерного луча в вертикальной и горизонтальной, относительно диаметральной плоскости судна, плоскостях, в качестве выбранной области объекта швартовки, на который наводят лазерные лучи лазерных измерителей, используется отличительный контрастный объект, находящийся на объекте швартовки к моменту подхода судна к объекту швартовки, при измерении расстояния до объекта швартовки и скорости относительно него с помощью блока обработки информации выполняют расчет расстояния x (м) от отличительного контрастного объекта до объекта швартовки по формуле:
,
0,
где L (м) - расстояние от модуля измерения дистанции до объекта швартовки, измеренное во время первого цикла измерения;
i
L (м) - расстояние от модуля измерения дистанции до отличительного контрастного объекта, измеренное во время цикла измерения номер i;
i - номер цикла измерения;
i
a (°) - угол между лучом модуля измерения дистанции и линией параллельной диаметральной плоскости судна во время цикла измерения номер i;
t (°) - угол между лучом, направленным модулем измерения дистанции при измерении дистанции до объекта швартовки во время первого цикла измерений, и лучом, направленным модулем измерения дистанции при измерении дистанции до отличительного контрастного объекта во время цикла измерения номер i, в горизонтальной плоскости при определении расстояния x;
ϕ
0
(°) - угол между лучом модуля измерения дистанции и горизонтом при определении расстояния x;
ϕ
i
(°) - угол между лучом модуля измерения дистанции и горизонтом во время цикла измерения номер i,
i
затем после каждого цикла измерения расстояний до объекта швартовки при помощи блока обработки информации выполняют расчеты кратчайшего расстояния до объекта швартовки S (м) по формуле:
i
где b (°) - угол между лучом лазерного измерителя и кратчайшим расстоянием до объекта швартовки во время цикла измерения номер i, который при помощи блока обработки информации рассчитывают по формуле:
,
mi
далее при помощи блока обработки информации рассчитывают расстояние до объекта швартовки в направлении отличительного контрастного объекта L(м) во время цикла измерения номер i, по формуле:
,
пр
далее на основе полученных расстояний при помощи блока обработки информации выполняют расчет скоростей сближения с объектом в продольном направлении V(м/с) по формуле:
,
пп
далее при помощи блока обработки информации выполняют расчет скорости сближения с объектом в поперечном направлении V(м/с) по формуле:
,
где T (с) - время между измерениями,
после расчета скорости сближения с объектом в продольном и поперечном направлении при помощи блока обработки информации выполняют расчет векторной суммы скоростей сближения модулей измерения дистанции с объектом швартовки в направлении отличительного контрастного объекта по формуле:
,
в течение выполняемых циклов измерения система оптико-гироскопической стабилизации использует данные об углах наклона лазерных измерителей, получаемых от датчиков измерения угла наклона лазерного луча и акселерометров, выполняет корректировку их направления с использованием ориентирующих двигателей для изменения направления лучей лазерных измерителей в пространстве.
i
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что лазерный измеритель и датчик измерения угла наклона лазерного луча входят в состав модулей измерения дистанции, которые устанавливают в количестве одной или более штук на каждую из оконечностей судна, в состав модуля измерения дистанции также входит система оптико-гироскопической стабилизации, акселерометр и ориентирующие двигатели для изменения положения лазерного измерителя в пространстве, датчик измерения угла наклона лазерного луча измеряет угол наклона лазерного луча и горизонтальной, относительно диаметральной плоскости судна, плоскости, в качестве выбранной области объекта швартовки, на который наводят лазерные лучи лазерных измерителей, используется отличительный контрастный объект, находящийся на объекте швартовки к моменту подхода судна к объекту швартовки, при измерении расстояния до объекта швартовки и скорости относительно него с помощью блока обработки информации выполняют расчет расстояния x (м) от отличительного контрастного объекта до объекта швартовки по формуле:
,
0,
где L (м) - расстояние от модуля измерения дистанции до объекта швартовки, измеренное во время первого цикла измерения;
i
L (м) - расстояние от модуля измерения дистанции до отличительного контрастного объекта, измеренное во время цикла измерения номер i;
i - номер цикла измерения;
i
a (°) - угол между лучом модуля измерения дистанции и линией параллельной диаметральной плоскости судна во время цикла измерения номер i;
t (°) - угол между лучом, направленным модулем измерения дистанции при измерении дистанции до объекта швартовки во время первого цикла измерений, и лучом, направленным модулем измерения дистанции при измерении дистанции до отличительного контрастного объекта во время цикла измерения номер i, в горизонтальной плоскости при определении расстояния x;
ϕ
0
(°) - угол между лучом модуля измерения дистанции и горизонтом при определении расстояния x;
ϕ
i
(°) - угол между лучом модуля измерения дистанции и горизонтом во время цикла измерения номер i,
i
затем после каждого цикла измерения расстояний до объекта швартовки при помощи блока обработки информации выполняют расчеты кратчайшего расстояния до объекта швартовки S (м) по формуле:
i
где b (°) - угол между лучом лазерного измерителя и кратчайшим расстоянием до объекта швартовки во время цикла измерения номер i, который при помощи блока обработки информации рассчитывают по формуле:
,
mi
далее при помощи блока обработки информации рассчитывают расстояние до объекта швартовки в направлении отличительного контрастного объекта L(м) во время цикла измерения номер i, по формуле:
,
пр
далее на основе полученных расстояний при помощи блока обработки информации выполняют расчет скоростей сближения с объектом в продольном направлении V(м/с) по формуле:
,
пп
далее при помощи блока обработки информации выполняют расчет скорости сближения с объектом в поперечном направлении V(м/с) по формуле:
,
где T (с) - время между измерениями,
после расчета скорости сближения с объектом в продольном и поперечном направлении при помощи блока обработки информации выполняют расчет векторной суммы скоростей сближения модулей измерения дистанции с объектом швартовки в направлении отличительного контрастного объекта по формуле:
,
кроме того в процессе сближения система гироскопической стабилизации использует данные об углах наклона лазерных измерителей, полученных от датчиков угла наклона и акселерометров, выполняет корректировку их направления с использованием ориентирующих двигателей для изменения положения лазерного измерителя в пространстве.
Сравнительный анализ данного технического решения с другими показал, что указанная совокупность признаков позволяет снизить погрешность при измерении расстояния до объекта швартовки и скорости относительно него.
Применение ориентирующих двигателей для изменения положения лазерного измерителя в пространстве позволяет сохранять положение лазерного измерителя, наведенного на отличительный контрастный объект, исключая при этом необходимость ручного управления наведением и снижая погрешность при измерении скорости из-за смещения положения лазерного луча лазерного измерителя.
Применение акселерометров позволяет постоянно фиксировать положение модулей измерения дистанции в пространстве и передавать полученные данные в систему оптико-гироскопической стабилизации для корректировки положения модулей измерения дистанции.
Применение системы оптико-гироскопической стабилизации позволяет использовать данные об углах наклона и положении в пространстве модулей измерения дистанции, полученных от датчиков угла наклона и акселерометров, и выполнять корректировку их направления с использованием ориентирующих двигателей.
Применение модулей измерения дистанции позволяет за счет автоматизации их работы сократить влияние человеческого фактора на проведение операции швартовки, что также снижает погрешность измерений.
Измерение углов наклона в горизонтальной и вертикальной, относительно диаметральной плоскости судна, плоскостях позволяет учитывать качку судна под действием волнения или других внешних сил.
Приведенные в заявляемом способе расчетные формулы для расчета расстояния до объекта швартовки и скорости относительно него позволяют на основе геометрических построений обеспечить точность измерений и исключить необходимость выставления судна параллельно объекту швартовки, например, линии причала с использованием систем спутниковой геолокации.
На фиг. 1 приведена структурная схема лазерной системы.
На фиг. 2 приведена структурная схема модуля измерения дистанции.
На фиг. 3 изображена геометрическая модель расположения судна и объекта швартовки друг относительно друга при швартовке, вид сверху.
На фиг. 4 изображена геометрическая модель расположения судна и объекта швартовки друг относительно друга при швартовке, главный вид.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Перед началом операции швартовки на носовой и кормовой оконечностях судна 1 устанавливают по одному (или более чем одному, в случае если необходимы более точные измерения) модулю измерения дистанции 2, 3.
Далее судно 1, направив лучи модулей измерения дистанции 2, 3 на отличительный контрастный объект 4, походит к объекту швартовки 5. Если на объекте швартовки отсутствует подходящий отличительный контрастный объект, то его следует установить до подхода судна к объекту швартовки - им может быть, например, щит, выкрашенный контрастным по отношению к окружающему его фону цветом.
0
i
При получении разрешения капитана операторы включают трансляцию данных об измеренном расстоянии и углах наклона модулей измерения дистанции 2, 3. Для расчета расстояния от отличительного контрастного объекта 4 до объекта швартовки 5 операторы наводят модули измерения дистанции 2, 3 поочередно на объект швартовки 5, например, на стенку причала, к которому планируется швартовка, и на точку, выбранную на отличительном контрастном объекте 4, расположенном на условно проведенном перпендикуляре к объекту швартовки 5, с выполнением измерений расстояний L и L.
Результаты измерений, получаемые от модуля измерения дистанции, установленного на носовой оконечности 2, и модуля измерения дистанции, установленного на кормовой оконечности 3, передаются в блок обработки информации 6, далее рассчитанные параметры движения судна транслируются в дисплейный модуль 7.
Результаты измерений, получаемые от датчика угла наклона лазерного измерителя 8, и показания акселерометра 9 передаются в систему оптико-гироскопической стабилизации 10, которая в процессе сближения корректирует направление лазерных лучей лазерного измерителя 11 при помощи ориентирующих двигателей 12.
Результаты измерений, полученные от лазерного измерителя 11, и данные из системы оптико-гироскопической стабилизации 10 попадают в блок обработки информации 6 для дальнейших расчетов.
При помощи блока обработки информации 6 выполняют расчет расстояния x от отличительного контрастного объекта 4 до объекта швартовки 5 по формуле (1):
,  (1)
0
где L (м) - расстояние от модуля измерения дистанции 2, 3 до стенки объекта швартовки 12, измеренное во время первого цикла измерения;
i
L (м) - расстояние от модуля измерения дистанции 2, 3 до отличительного контрастного объекта 4, измеренное во время цикла измерения номер i;
i - номер цикла измерения;
i
a (°) - угол между модуля измерения дистанции 2, 3 и линией параллельной диаметральной плоскости судна 1 во время цикла измерения номер i;
t (°) - угол между лучом модуля измерения дистанции 2, 3 в горизонтальной плоскости при определении расстояния x;
ϕ
0
(°) - угол между лучом модуля измерения дистанции 2, 3 и горизонтом при определении расстояния x;
ϕ
i
(°) - угол между лучом модуля измерения дистанции 2, 3 и горизонтом во время цикла измерения номер i,
Расчеты выполняются для каждого модуля измерения дистанции 2, 3, независимо друг от друга.
Числовые значения, получаемые от модулей измерения дистанции 2, 3, непрерывно автоматически транслируются в блок обработки информации 6 для расчетов и в дисплейный модуль 7 для визуального отображения на всем протяжении швартовки судна 1.
После выполнения калибровочных измерений персонал переводит модули измерения дистанции 2, 3 в автоматический режим. Автоматический режим предусматривает слежение за целью с использованием акселерометров 9, системы оптико-гироскопической стабилизации 10, ориентирующих двигателей 12 и непрерывное цикличное измерение расстояния до объекта швартовки 5 с заданной частотой.
i
После каждого цикла измерения расстояний до объекта швартовки 5 при помощи блока обработки информации 6 выполняют расчеты кратчайшего расстояния объекта швартовки 5, например причала S по формуле (2).
(2)
i
где b - угол между лучом лазерного измерителя и кратчайшим расстоянием до объекта швартовки 5 во время цикла измерения номер i, который при помощи блока обработки информации 6 рассчитывают по формуле:
,  (3)
mi
Расстояние до объекта швартовки 5 в направлении отличительного контрастного объекта 4 Lво время цикла измерения номер i, при помощи блока обработки информации 6 рассчитывают по формуле (4):
(4)
пр
пп
На основе полученных расстояний при помощи блока обработки информации 6 выполняют расчет скоростей сближения с объектом швартовки 5 в продольном V, поперечном V направлениях по формулам (5), (6) соответственно:
,  (5)
,  (6)
где T - время между измерениями.
пр
пп
После расчета V и Vпри помощи блока информации 6 выполняют расчет векторной суммы скоростей сближения модулей измерения дистанции 2, 3 с объектом швартовки 5 в направлении на отличительный контрастный объект 4 по формуле (7):
, (7)
Формула векторной суммы скоростей (7) упрощена, так как косинус угла между векторами скоростей равен 0.
Рассчитанные параметры движения судна 1 транслируют в дисплейный модуль 7, где данные отображаются в графическом и цифровом виде.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет снизить погрешность при измерении расстояния до объекта швартовки и скорости относительно него.