СПОСОБ ВЫБОРА ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ В СИСТЕМЕ РАСХОЖДЕНИЯ СУДНА С ВСТРЕЧНЫМ ОБЪЕКТОМ
METHOD TO SELECT ACTUATORS IN SHIP COLLISION AVOIDANCE SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна с выбором вида используемых корабельных исполнительных средств при расхождении с встречным объектом.
зд
зд
Известен способ швартовки судна [патент России №2330789], в котором сигнал коррекции к заданному путевому углу «ΔПУ» формируют с использованием радара (выдающего сигналы вектора расстояния от судна до встречного объекта - пирса). Сигналы текущей широты, долготы, скорости хода и путевого угла судна используют от приемника спутниковой навигационной системы для формирования сигналов прогнозируемого движения судна и встречного объекта. (В вычислителе формируют сигнал коррекции к заданному путевому углу «ΔПУ», который вводят в сумматор рулевого привода. Программный блок изменяет скорость хода судна с использованием регулятора оборотов гребного винта.)
Недостатком рассмотренного способа является использование только регулятора оборотов гребного винта при расхождении с объектом.
Известен также способ расхождения судна с встречным объектом [Острецов Г.Э., Клячко Л.М. Автоматическое расхождение судна с встречным объектом. // Морской вестник №3(27). С.-Петербург. 2008 г., стр.65, 66], принятый нами в качестве прототипа:
- обеспечивающий автоматическое выявление встречных объектов, с которыми возможно столкновение,
зд
- определяющий требуемую корректировку в направлении движения судна, при которой будет исключена возможность столкновения (коррекция заданного путевого угла «ΔПУ»),
- вводящий это изменение в движения судна.
Недостатком рассмотренного способа является то, что для исключения столкновения с встречным объектом производится перевод судна с заданной траектории движения - изменением заданного путевого угла, причем режим изменения скорости хода судна не рассматривается. В то время как в ряде случаев исключить столкновение со встречным объектом можно более эффективно, если изменить только скорость хода судна, не изменяя значение заданного путевого угла (траектория движения судна при этом остается неизменной).
Целью предлагаемого способа является предварительный выбор вида используемого исполнительного средства при расхождении (рулевого привода или регулятора оборотов гребного винта) для достижения «оптимального» режима работы системы расхождения судна со встречным объектом.
Расхождение судна с встречным объектом может осуществляться при использовании предложенного нами способа либо рулевым приводом (путем коррекции заданного путевого угла для изменения направления движения судна), либо регулятором оборотов гребного винта (производится изменение скорости хода судна с сохранением заданного направления движения).
Способ выбора исполнительных средств в системе расхождения судна с встречным объектом использует:
- приемник спутниковой навигационной системы (СНС), вырабатывающий текущую широту, долготу, путевой угол и скорость хода судна;
- радар, выдающий сигнал вектора расстояния от судна до встречного объекта;
зд
i=n
- вычислитель, в котором формируют сигналы текущей широты, долготы и вектор скорости встречного объекта (по сигналам от радара и от приемника СНС); в вычислителе также формируют будущие траектории движения судна и встречного объекта, используя которые формируют условия столкновения судна с встречным объектом, формируют требуемый сигнал коррекции к заданному путевому углу «ΔПУ» для использования рулевого привода, а также требуемый сигнал коррекции к заданной скорости хода судна «ΔV», для использования регулятора оборотов гребного винта.
В предложенном способе дополнительно используют:
1) прогнозатор, в котором формируют:
«ΔV»
расч
i=n
- сигнал времени t будущего перехода судна до следующей (заданной) точки изменения направления траектории А (при корректировке заданной скорости хода судна на величину «ΔV»),
«ΔПУзд»
расч
зд
- сигнал времени t будущего перехода судна до следующей (заданной) точки изменения направления траектории А (при корректировке заданного путевого угла на величину «ΔПУ»),
«ΔПУзд
«ΔV»
зд
i=n
расч
2) логический блок, в котором, используя сигналы t и t, формируют сигнал «ΔПУ» или «ΔV» на подключение «оптимального» исполнительного средства (при котором расхождение со встречным объектом и выход судна к следующей заданной точке изменения направления траектории движения А осуществляется за меньшее время).
Рассмотрим последовательность выполнения операций в предложенном способе.
i=n
1. Выработка сигнала коррекции «ΔV» (при которой исключается столкновение)
об
об
об,cуд
об
об
При появлении встречного объекта в вычислителе формируют сигналы текущей широты «Ф» и долготы «λ» встречного объекта, вектор расстояния от судна до встречного объекта «L», путевой угол встречного объекта «ПУ» и скорость хода встречного объекта «V». С этой целью из радара и приемника СНС вводят в вычислитель сигналы:
- пеленг встречного объекта «П»,
об,суд
- расстояние от встречного объекта до судна «L»,
- текущего курса судна «φ»,
i
- текущей широты судна «Ф»,
i
- текущей долготы судна «λ»,
суд.i
- путевого угла судна «ПУ,
суд.i
- текущей скорости судна V.
а. Текущая широта и долгота встречного объекта определяется:
где φ - текущий курс судна,
П - текущий пеленг встречного объекта,
об,суд
L - расстояние от судна до встречного объекта,
об
об
суд
суд
Ф, λ, (Ф, λ) - текущая широта и долгота встречного объекта (судна).
б. Путевой угол встречного объекта определяется:
об
где ПУ - текущий путевой угол встречного объекта,
об.i-1
об.i-1
об.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 определяется:
об.i-1
об.i-1
об.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.
n
n
г. Используя полученные по зависимостям (1-3) сигналы текущей широты, долготы и вектор скорости встречного объекта и из приемника СНС сигналы широты, долготы и скорости хода судна, формируют траектории будущего движения судна и встречного объекта, по которым определяют широту и долготу точки (Ф. λ) пересечения отрезков траекторий будущего движения судна и встречного объекта:
об.i
об.
1
об.i
об
где Ф+Ф=К(λ-λ),
суд.i
суд
2
суд.i
суд
Ф+Ф=К(λ-λ),
об
суд
об
суд
Ф, Ф, λ, λ - текущие широта и долгота встречного объекта и судна.
n
n
д. Используем условие одновременного будущего нахождения судна и встречного объекта вблизи точки пересечения двух траекторий (Ф, λ):
суд
об
суд
суд
об
об
n
n
где t, t - время движения судна и встречного объекта от начального состояния {(Ф, λ). (Ф, λ)} до точки пересечения траекторий (Ф, λ).
суд
е. При выполнении условия (5) в вычислителе вырабатывается сигнал уставки ΔV, который определяется из зависимостей:
суд. корр
суд
суд
где V=V+ΔV,
суд. корр
суд
суд.корр
t=L/V,
об
об
об
t=L/V,
суд
суд
суд
L - расстояние между текущим положением судна (Ф, λ)
n
n
n
и точкой пересечения траекторий А (Ф, λ),
об
об
об
n
n
n
L - расстояние между текущим положением встречного объекта (Ф, λ) и точкой пересечения траекторий А(Ф, λ),
суд.корр
об
V, V - корректированная скорость движения судна и скорость встречного объекта,
суд
знак приращения скорости ΔV определяется:
суд
об
суд
при t-t<0, -ΔV (в отрицательной области приращения скорости хода судна),
суд
об
суд
при t-t>0, +ΔV (в положительной области приращения скорости хода судна).
суд
ж. Сигнал коррекции скорости хода судна «ΔV» вводят в прогнозатор.
зд
n
2. Выработка сигнала коррекции путевого угла «ΔПУ» (при котором исключается столкновение в точке А).
А1
1
а. Используя зависимости (1)-(5), формируем сигнал коррекции заданного путевого угла АПУ: при движении в точку А
зд
где ПУ - заданное значение путевого угла до начала режима расхождения,
зд.A1
1
ПУ - заданное значение корректированного путевого угла для перехода судна в точку A.
А1судна
0суд
1
A1объекта
0об
1
б. Определение времени «t» движения судна от текущей точки А до точки пересечения траекторий А и времени «t» движения встречного объекта, от точки А до точки пересечения траекторий А:
А1судна
1с
0суд
0
0
1
А1
А1
с
t=L(А(Ф, λ)-А(Ф, λ))/V,
А1объекта
1об
0об
0об
0об
1
А1
А1
об
t=L(А(Ф, λ)-А(Ф, λ))/V,
0суд
0
0
где: А - (Ф, λ) - текущая точка местонахождения судна,
0об
А - текущая точка местонахождения встречного объекта,
1
А1
А1
зд.А1
A(Ф, λ) - точка будущего нахождения судна и встречного объекта при движении судна с корректированным путевым углом ПУ,
c
V - скорость хода судна,
об
V - скорость хода встречного объекта,
1суд
0суд
1
L - длина отрезка между точками А и A,
1oб
0об
1
L - длина отрезка между точками А и A,
Δ-var. (изменяется в диапазоне -С<Δ<+С).
1
A1a
А1б
1
в. Формируем сигнал условия столкновения в окрестности точки A(5) или (5) условия безопасного прохождения судна через точку A.
A1б
i=1
При выполнении условия (5) выработанный сигнал коррекции вектора заданного движения судна ΔПУ, вводится в прогнозатор.
A1а
i=2
2
n
Аnб
i=n
0
n
зд.Аn
зд
i=n
При выполнении условия (5) формируется новый сигнал коррекции в направлении вектора заданного движения судна ΔПУ, который используется в повторном цикле вычислений для выявления возможности столкновения в точке А. Аналогично рассмотренным циклам повторяют циклы вычислений до «n» цикла, когда выполняется условие безопасного прохождения через точку А (5), тогда сигнал коррекции заданного путевого угла «n» цикла «ΔПУ» вводят в прогнозатор (это соответствует будущему режиму перехода судна из точки А в точку А с путевым углом заданным ПУ=ПУ+ΔПУ).
расч
3. Формирование сигналов времени будущего перехода судна до следующей (заданной) точки изменения траектории движения А.
i=n
i=n
0
расч.
В прогнозаторе, используя сигналы «ΔПУ» и «ΔV», формируют время движения судна от точки А до расчетной точки изменения направления траектории движения судна А
ΔПУi=n
i=n
а. Формирование времени движения судна Т при использовании корректирующего сигнала «ΔПУ»:
где
суд.«ΔПУi=n»
суд.«ΔПУi=n»
суд,
t=L/V
Anсуд.
суд.расч
суд
t=L/V,
суд.«ΔПУi=n»
L- расстояние между текущим положением судна
0
суд
суд
n
n
n
А(Ф, λ) и точкой пересечения траекторий А (Ф, λ),
суд.расч
n
расч
L - расстояние между точками А и А,
суд
V - скорость движения судна,
суд.«ΔПУi=n»
0
n
t - расчетное время движения судна от точки А до А,
Anсудна
n
расч
t - время движения судна от точки А до точки А,
расч
А - ближайшая точка изменения направления траектории движения судна.
ΔПУi=n
Сигнал времени Т вводят в блок логики.
расч
б. Формирование времени движения судна при использовании корректирующего сигнала «ΔV» » до точки траектории А:
суд.«ΔV»
суд
суд.кор
где t=L/V»
суд
0суд
L - расстояние между текущим положением судна А
i=n
и точкой пересечения траекторий A,
суд.кор
суд
V=V-ΔV,
суд.An
суд.расч
суд.зд
t=L/V,
суд.расч
n
расч
L - расстояние между точкой А и точкой А,
суд
V - заданная скорость хода судна.
ΔV
Сигнал Т вводят в блок логики.
4. Формирование сигнала на подключение «оптимального» исполнительного средства в блоке логики
вычислителя вводят в регулятор оборотов гребного винта.
вычислителя вводят в сумматор рулевого привода судна.
Описание работы системы расхождения судна с предварительным выбором исполнительного средства (см. фиг.)
Рассмотрим структуру системы расхождения судна с встречным объектом, дополненную подсистемой выбора исполнительных средств. При движении судна радар 1 выдает сигналы пеленга и расстояния судна до встречного объекта в вычислитель 2. Сигналы текущей широты, долготы и вектора скорости хода судна из приемника спутниковой навигационной системы (СНС) 3 поступают на вход сумматора рулевого привода 4 и на второй вход вычислителя 2.
В вычислителе 2 вырабатываются сигналы:
- широты, долготы и вектор скорости хода встречного объекта (см, зависимость (1)-(3)),
- траектории будущего движения судна и встречного объекта (см. зависимость (4)),
- времени движения судна и времени движения встречного объекта до места пересечения траекторий (см. зависимость (5)),
суд
- коррекции скорости хода судна «ΔV» (см. зависимость (5А)),
зд
- коррекции заданного путевого угла «ΔПУ». (см. зависимость (6)).
В прогнозаторе 5 вырабатываются сигналы:
«ΔПУi=n»
i=n
- времени движения судна Т при использовании корректирующего сигнала «ΔПУ» (см. зависимость (7)),
«ΔVзд»
- времени движения судна Т при использовании корректирующего сигнала «ΔV» (см. зависимость (8)).
В блоке логики 6 вырабатываются сигналы на подключение:
i=n
суд.корр
суд
суд
- коррекции скорости хода судна «ΔV» из вычислителя 2 на вход регулятора оборотов гребного винта 7 (при выполнении зависимости (9) скорость хода судна будет V=V-ΔV),
i=n
зд
зд.
i=n
- коррекции заданного путевого угла «ΔПУ» из вычислителя 2 на вход сумматора рулевого привода 4 (при выполнении зависимости (10) судно 9 начинает двигаться не по заданному путевому углу «ПУ», а по скорректированному путевому углу «ПУ-ΔПУ».
зд
суд
На вход сумматора рулевого привода 4 также поступают сигналы заданного путевого угла «ПУ», путевой угол «ПУ» и угловая скорость судна «ω» от приемника СНС 3. Таким образом, формируется автоматическое управление судном по скорректированному путевому углу и заданной скорости хода «V»:
зд
где δ - задание на угол перекладки руля, поступающее на вход штатного рулевого привода 8 с выхода сумматора рулевого привода 4.
Проведенное моделирование рассмотренной выше системы подтвердило работоспособность предложенного способа.