АППАРАТУРА АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСХОЖДЕНИЯ СУДНА СО ВСТРЕЧНЫМ ОБЪЕКТОМ
MARINE AUTOMATIC ANTI-COLLISION HARDWARE

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному направлению с выявлением встречных объектов и расхождения с ними. Известно устройство (АС СССР №460535), обеспечивающее автоматическое удержание судна на заданном курсе. Стабилизация курса осуществляется по данным гирокомпаса, который является основным источником информации о направлении движения судна. Сигнал текущего курса и его производная поступают на вход вычислителя, на вход которого поступает также сигнал с датчика угла перекладки руля.
Известна также система автоматического управления движением судна (патент России №2248914, принятый в качестве прототипа). Автоматическое управление движением судна основано на использовании приемника спутниковой навигационной системы, блока заданного значения путевого угла и сумматора, на вход которого поступают сигналы: текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна и угла перекладки руля, для формирования закона управления рулевым приводом судна. Выход сумматора подключен к входу рулевого привода.
Существенным недостатком рассмотренных выше систем автоматического управления движением судна является возможность столкновения с встречными объектами.
Для устранения отмеченного недостатка в предлагаемой  аппаратуре автоматического управления движением судна обеспечивается выявление встречных судов, с которыми возможно столкновение. После выявления такого встречного объекта аппаратура определяет требуемую корректировку в направлении движения судна, при которой будет исключена возможность столкновения, и изменяет направление движения судна. Через время прохождения судном точки пересечения корректированных траекторий (или минимальной точки сближения с встречным объектом) отключается коррекция, и судно выводит к прежнему маршруту движения.
Для решения поставленной задачи в предлагаемую аппаратуру дополнительно вводят:
- блок программного управления,
- радар (выдающий сигналы вектора расстояния от судна до встречного объекта),
- вычислитель, в котором формируют сигналы текущей широты, долготы и вектор скорости движения встречного объекта, будущие траектории движения судна и встречного объекта и величину коррекции к заданному путевому углу.
Для формирования закона управления рулевым приводом к входу сумматора подключают блоки:
- приемник СНС,
- датчик угловой скорости судна,
- датчик угла руля,
- задатчик путевого угла,
- программного управления.
Выход сумматора подключают к рулевому приводу.
Целью предлагаемой аппаратуры является обеспечение автоматического расхождения судна с встречным объектом путем:
- определения в ограниченной акватории движения судна встречного объекта, с которым возможно столкновение,
зд
- нахождение минимально возможной величины отклонения судна от заданного направления движения «ΔПУ», при котором будет исключена возможность будущего столкновения с встречным объектом,
зд
зд
- автоматического перевода судна на новое направление движения ПУ+ΔПУ (с отключением задатчика путевого угла от сумматора),
зд
зд
- автоматическое отключение ПУ+ΔПУ и подключение задатчика путевого угла к сумматору после окончания режима расхождения для выхода судна в дальнейшем на заданную траекторию движения.
Рассмотрим, как реализуется поставленная цель в предложенной аппаратуре.
зд
На чертеже представлена блок-схема аппаратуры автоматического расхождения судна со встречным объектом, содержащая приемник СНС  1, задатчик путевого угла ПУ 2, датчик угловой скорости 3, датчик руля 4, рулевой привод 5, сумматор 6, блок программного управления 7, радар 8, вычислитель 9, объект управления 10 (судно).
гр
сек
В качестве возможного варианта реализации рассмотрим приемник СНС 1 типовой разработки НПО «Агат» или Красноярского завода, задатчик путевого угла 2 и датчик руля 4, преобразователи угла в напряжение с точностью не хуже 2%; датчик угловой скорости 3 типовой с чувствительностью не хуже 0.005 /; сумматор 6, блок программного управления 7 и вычислитель 9 могут реализовываться на микросхемах 140 уд 8 или на процессорах; рулевой привод 5 и радар 8 - штатное судовое оборудование.
Аппаратура работает следующим образом.
зд
зд
зд
1. Из приемника СНС 1 сигнал текущего путевого угла судна «ПУ» поступает на первый вход сумматора 6. На второй-пятый входы сумматора 6 подключены выходы: задатчика 2 путевого угла «ПУ», датчика 3 угловой скорости судна «ω», датчика 4 руля «δ» и блок 7 программного управления - корректировки заданного путевого угла «ПУ+ΔПУ». На выходе сумматора 6 вырабатывается скорость перекладки руля «d/dtδ», которая поступает на вход рулевого привода 5:
i=1,2,3
K - постоянные коэффициенты регулирования.
зд
зд
В случае отсутствия встречного объекта ΔПУ=0 судно будет двигаться с путевым углом, равным заданному значению ПУ=ПУ.
i
i
суд
об.,суд.
об.
об.
2. При появлении встречного объекта с выхода радара 8 поступают на первый вход вычислителя 9 азимут встречного объекта «ψ» и расстояние от встречного объекта до судна «L», на второй вход вычислителя с выхода приемника СНС 1: курс судна  φ, текущая широта и долгота судна «Ф», «λ» и путевой угол судна ПУ. В вычислителе 9 формируется текущая широта и долгота встречного объекта, вектор расстояния от судна до встречного объекта «L», путевой угол встречного объекта ПУ и скорость хода V:
а) текущая широта и долгота встречного объекта
где φ - текущий курс судна,
ψ - текущий азимут встречного объекта,
об.,суд.
L- расстояние от судна до встречного объекта,
об.
об.
суд.
суд.
Ф, λ, (Ф, φ) - текущая широта и долгота встречного объекта (и судна),
б) путевой угол встречного объекта:
об.
где ПУ - текущий путевой угол встречного объекта,
об.i-1
об.i-1
oб.i
об.i
Ф, λ и Ф, λ - текущая широта и долгота встречного объекта в момент времени «t» и в следующий момент времени «t+Δt»,
в) скорость хода встречного объекта:
об.i-1
об.i-1
oб.i
об.i
где Ф, λ и Ф, λ - текущая широта и долгота встречного объекта в момент времени t и в следующий момент времени t+Δt,
об.
V - скорость движения встречного объекта,
d/dt - символ дифференцирования.
суд.
I
n
n
3. Используя полученные по зависимостям (2-4) в вычислителе 9 текущую широту, долготу и вектор скорости встречного объекта и из приемника СНС 1 сигналы широты, долготы и скорости хода судна, формируем в вычислителе 9 траектории будущего движения судна и встречного объекта, по которым в ограниченной акватории λ<λ<С определяют широту и долготу точки (Фλ) пересечения отрезков траекторий будущего движения судна и встречного объекта:
об.
суд.
об.
суд.
где Ф, Ф, λ, λ - текущие широты и долготы встречного объекта и судна.
4а) Если условие пересечения траекторий (5) в ограниченной акватории не имеет решения, в вычислителе 9 через интервал времени «Δt» вновь решают зависимости (2)-(4).
n
n
4б) Если условие (5) выполняется, в вычислителе 9 определяется условие одновременного будущего нахождения судна и встречного объекта вблизи точки пересечения двух траекторий (Ф, λ):
суд.
суд.
суд.
где t=L/V,
об.
об.
об.
t=L/V,
суд.
суд.
суд.
n
n
L - расстояние между текущим положением судна (Ф, λ) и точкой пересечения траекторий (Ф,λ),
об.
об.
об.
n
n
L - расстояние между текущим положением встречного объекта (Ф, λ) и точкой пересечения траекторий (Ф,λ),
суд.
oб.
V, V - скорость движения судна и встречного объекта,
суд.
об.
суд.
об.
суд.
об.
n
n
t, t - расчетное время движения судна и встречного объекта от текущих широт и долгот судна и встречного объекта (Ф, Ф, λ, λ) до точки пересечения траекторий (Ф, λ).
5а) Если условие (6) не выполняется, в вычислителе 9 через интервал времени «Δt» вновь решают зависимости (2)-(4) и т.д.
зд
суд.
зд
5б) Если условие (6) выполняется, в вычислителе 9 вырабатывается уставка ΔПУ, которая суммируется с текущим путевым углом судна ПУ=ПУ (поступившим из приемника СНС 1). Затем в вычислителе 9 вырабатывается условие пересечения корректированной траектории движения судна и траектории движения встречного объекта:
суд.кор.i
суд.
суд.кор.
суд.кор.i
суд.
где Ф-Ф=CtgПУ(λ-λ),
об.кор.i
об.
об.
об.кор.i
об.
Ф-Ф=CtgПУ(λ-λ),
суд.кор.
зд
зд
ПУ=(ПУ+ΔПУ)
6а) Если зависимость (5а) не имеет решения, из вычислителя 9 сигнал
суд.кор.
суд.
зд
ПУ=ПУ+ΔПУ
зд
суд.кор.
поступает в блок программного управления 7 и далее на пятый вход сумматора 6, при этом блок программного управления 7 отключает задатчик ПУ 2 от сумматора 6. Судно начинает двигаться по скорректированному направлению ПУ.
расхож.
В вычислителе 9 формируется время Т:
расхож.
суд.расх.
суд.
Т=L/V
2
2
2
суд.расх.
кор.n
суд.
кор.n
суд.
где L =(Ф-Ф)+(λ-λ),
суд.расх.
суд.
суд.
кор.n
кор.n
расхож.
зд
L- отрезок пути судна от текущей точки нахождения судна (Ф, λ) до точки пересечения скорректированной траектории движения судна с траекторией движения встречного объекта (Ф, λ). Блок программного управления 7 через время Т по сигналу из вычислителя 9 отключается от сумматора 6 и к пятому входу сумматора 7 подключает задатчик ПУ 2. Аппаратура автоматического расхождения судна со встречным объектом возвращается в начальное исходное состояние.
n кор.
n кор.
6б) Если зависимость (5а) имеет решение, в вычислителе 9 определяется выполнение условия одновременного будущего нахождения судна и встречного объекта в точке пересечения двух траекторий (Ф, λ):
суд.кор.
об.кор.
суд.
об.
суд.
об.
n кор.
n кор.
t, t - расчетное время движения судна и встречного объекта от текущих широт и долгот судна и встречного объекта (Ф, Ф, λ, λ) до корректированной точки пересечения траекторий (Ф, λ).
7а) Если условие (6а) не выполняется в вычислителе 9 через интервал времени «Δt», аппаратура автоматического расхождения судна со встречным объектом возвращается в исходное первоначальное состояние и вновь решаются зависимости (2)-(4) и т.д.
зд1
зд
суд.
7б) Если условие (6а) выполняется, в вычислителе 9 вырабатывается уставка ΔПУ=2ΔПУ, которая суммируется с текущим путевым углом судна ПУ (поступившим из приемника СНС 1). Затем в вычислителе 9 вырабатывается условие пересечения вновь корректированной траектории движения судна и траектории движения встречного объекта:
8а) Если зависимость (5б) не имеет решения в вычислителе 9, сигнал
суд.кор.1
суд.
зд
ПУ=ПУ+2ΔПУ
зд
суд.кор.1
расхож.1
поступает в блок программного управления 7 и далее на пятый вход сумматора 6. Программный блок 7 отключает задатчик 2 ПУ от сумматора 7. Судно начинает двигаться по вновь скорректированному направлению ПУ. В вычислителе 9 формируется время Т.
расхож.1
Через время Т аппаратура расхождения судна со встречным объектом переходит в начальное исходное состояние.
8б) Если зависимость (5б) имеет решение в вычислителе 9, тогда определяется выполнение условия:
9а) Если условие (6б) не выполняется, то через интервал времени «Δt» вновь решают зависимости (2)-(4) и т.д.
зд2
зд
суд.
9б) Если условие (6б) выполняется, в вычислителе 9 вырабатывается уставка ΔПУ=3ΔПУ, которая суммируется с текущим путевым углом судна ПУ. Затем в вычислителе 9 формируется условие:
10а) Если зависимость (5в) в заданной акватории не имеет решения в вычислителе 9, сигнал:
суд.кор.2
суд.
зд
ПУ=ПУ+2ΔПУ
суд.кор.1
расхож.2
поступает в блок программного управления 7 и судно начинает двигаться по вновь скорректированному направлению ПУ. Через время Т аппаратура расхождения судна переходит в начальное исходное состояние.
суд.кор.2
расхож.n
10б) Если зависимость (5в) имеет решение, тогда определяется выполнение следующего условия (6в). При невыполнении условия (6в) аппаратура расхождения судна переходит в начальное исходное состояние, при выполнении условия (6в) формируется новое значение ПУ и циклы поиска безопасного направления движения судна продолжатся. После определения «n» корректированного направления движения судно выйдет на это направление и продолжит движение по этому направлению в течение «Т». Далее аппаратура расхождения судна со встречным объектом вернется в начальное исходное состояние.
Проведенное моделирование подтвердило эффективность использования предложенной аппаратуры.