УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ СУДНА

Полезная модель относится к судостроению, а именно к экспериментальным средствам определения параметров движения судов в различных гидрологических условиях и может быть использована при маневренных и ходовых испытаниях надводных судов с изменяемой осадкой, в том числе безэкипажных и автономных.
В процессе проведения маневренных и ходовых испытаний судна определяются численные значения элементов циркуляции, рыскания, устойчивости на курсе и тормозного пути, в том числе при воздействии на судно изменяющихся течений воды.
Известные в указанной области устройства (патент РФ №2259301, опубл. 27.08.2005; патент РФ №2221726, опубл. 20.01.2004 и др.), при определении указанных параметров, как правило, основываются на дополнительных измерениях, требующих участия экипажа, и в этой связи не могут быть использованы для судов с полностью автоматическим управлением, например, для безэкипажных или полностью автономных судов, также данные устройства не могут выявлять или измерять скорости течения, т.е. гидрологический режим судоходства.
Известен измерительный комплекс «ВЕГА», предназначенный для автоматического определения параметров движения морских объектов и представляющий собой инерциально-спутниковую интегрированную систему ориентации и навигации, в состав которой входят инерциальный измерительный модуль на микромеханических датчиках и одноосном волоконно-оптическом гироскопе, и мультиантенная приемная аппаратура спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS.
Недостатком данного комплекса является отсутствие возможности выделить влияние внешних гидрологических условий на параметры движения судна, например, измерить скорость и направление течения воды.
Известно устройство контроля мореходности судна по пат. РФ №2467914, опубл. 27.11.2012, содержащее: датчик курсового угла, датчик скорости, блоки датчиков осадки судна носом и кормой, блок датчиков угловых перемещений колебательного движения судна относительно продольной, поперечной и вертикальной осей, блок датчиков ускорений судна на волнении, соединенные с блоком коммутации и предварительной обработки информации, соединенным с процессором-классификатором, процессором-редактором, метрологическим процессором, которые соединены с интеллектуальным процессором с образованием ЭВМ, соединенной посредством интеллектуального процессора с дисплеем, системой документирования и экспертной системой, радиовысотомер малых высот, соединенный своим выходом с ЭВМ, которая также соединена с выходами датчика курсового угла, датчика скорости и с выходами приемоиндикатора спутниковой навигационной системы и измерителя параметров ветра, аппаратно-программный модуль моделирования динамики движения судна в стесненных навигационных обстоятельствах, соединенный своим входом с экспертной системой, а своим выходом с интеллектуальным процессором.
Недостатком устройства является сложность его технической реализации, связанная с большим количеством измерительных датчиков, которые необходимо дополнительно устанавливать на судне, тарировать, настраивать и т.п.Кроме того, для обработки поступающих данных необходимо использовать несколько разнородных по своей функциональности программных комплексов.
Среди известных аналогов наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому устройству является измерительный комплекс по патенту РФ №144079, опубл. 10.08.2014, выбранный в качестве прототипа устройства. В состав измерительного комплекса входят: интегрированная система ориентации и навигации для морских судов, содержащая инерциальный измерительный модуль, мультиантенную приемную аппаратуру спутниковых навигационных систем, антенный модуль, управляющий компьютер, регистрирующую аппаратуру и электронный датчик угла перекладки руля.
В процессе работы комплекс осуществляет прием сигналов со спутников навигации, обработку и преобразование сигналов в параметры движения судна в цифровом виде и их последующую регистрацию и хранение.
Недостатком данного измерительного комплекса является недостаточная точность определения параметров движения судна, т.к. он не может регистрировать и измерять количественные характеристики воздействия внешних естественных гидрологических факторов - скорости и направления течения воды, которые существенно влияют на движение судна при выполнении маневренных и ходовых испытаний судов, в т.ч. безэкипажных и автономных. Кроме того, устройство невозможно использовать независимо от аппаратуры, установленной непосредственно на судне.
Предлагаемая полезная модель решает проблему повышения точности измерений при выполнении ходовых и маневренных испытаний судов путем учета и регистрации влияния гидрологических факторов с возможностью создания устройства, независимого от бортовой системы навигации.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в устройстве для определения параметров движения судна, включающем так же, как и прототип, антенный модуль, соединенный с мультиантенной приемной аппаратурой спутниковых навигационных систем, соединенной с управляющим компьютером, к которому также подключен инерциальный измерительный модуль, в отличие от прототипа, в состав устройства входит профилометр течений, соединенный с третьим входом управляющего компьютера и выполненный, с возможностью размещения на металлической телескопической трубе, выполненной с возможностью регулирования глубины погружения профилометра течений в воду и установленной на кронштейне, закрепленном на корпусе судна, при этом все компоненты устройства питаются от автономного источника питания, например, от аккумуляторной батареи.
Сущность полезной модели заключается в введении в состав устройства, осуществляющего определение параметров движения судна, дополнительного прибора, который при исследовании объекта позволяет учитывать внешние гидрометеорологические явления, связанные с измерением скорости и направления течения воды и существенно влияющие на маневренные и ходовые характеристики судна, что повышает точность устройства и расширяет его функциональные возможности.
Кроме того все компоненты устройства, осуществляющие измерение, регистрацию и хранение необходимых параметров, питаются от автономного источника, что обеспечивает его независимость от судовой навигационной аппаратуры и создает условия для возможности использования устройства как переносное мобильное оборудование.
Сопоставление предлагаемого устройства с прототипом показало, что поставленная задача - создание устройства для определения параметров движения судна с повышенной точностью измерений при выполнении ходовых и маневренных испытаний путем учета и регистрации влияния гидрологических факторов - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие заявленной полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Возможность получения указанного технического результата осуществляется с помощью устройства, элементы которого находятся в конструктивном единстве и их функциональной взаимосвязи.
Предлагаемое устройство для определения параметров движения судна поясняется графическими материалами (фиг.1 - общий вид, фиг. 2 - схема соединения компонентов).
Устройство (фиг.1, 2) содержит: антенный модуль 1, выход которого подключен ко входу мультиантенной приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем 2, выход которой подключен к первому входу управляющего компьютера 3, инерциальный измерительный модуль 4, выход которого подключен ко второму входу управляющего компьютера 3, и профилометр течений 5, выход которого подключен к третьему входу управляющего компьютера 3. При этом все электронные компоненты устройства получают питание от электрического аккумулятора 6. Все блоки устройства (фиг.1) размещены на телескопической металлической трубе 7, длина которой устанавливается фиксатором 8, а сама труба посредством кронштейна 9 крепится к корпусу судна.
Антенный модуль 1, мультиантенная приемная аппаратура спутниковых навигационных систем 2, инерциальный измерительный модуль 4, управляющий компьютер 3 и аккумулятор 6 размещены в одном влагозащитном корпусе и жестко закреплены на верхней части телескопической металлической трубы, профилометр течений 5 закреплен внизу телескопической трубы 7.
Устройство может быть реализовано на следующих элементах:
В качестве антенного модуля 1 может быть использован блок антенн судового спутникового компаса SC-130, в качестве приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем 2 малогабаритный модуль типа СН-7700, в качестве профилометра течений 5 - доплеровский радар RDCP 600, в качестве инерциального измерительного модуля 4 малогабаритная система, построенная на микроэлектромеханических акселерометрах и гироскопах типа ГЛ-ВГ109 или БИНС 500К, в качестве управляющего компьютера 3 одноплатный микрокомпьютер типа Raspberry pi 3, в качестве аккумулятора 6 - источник бесперебойного питания DEXP Power-EG 12053 с емкостью в 5 А*ч.
Указанное выполнение устройства обеспечивает его конструктивно-функциональное единство и позволяет использовать в качестве независимого устройства для изучения «поведения» судна во время плавания, в том числе может использоваться для испытаний безэкипажных и автономных судов, на борту которых полностью отсутствует экипаж.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Антенный модуль 1 принимает сигналы от глобальных навигационных спутниковых систем (скорость судна, курс судна, широта, долгота, координаты в декартовой системе координат, высота в географической системе координат и т.п.), затем передает их на мультиантенную приемную аппаратуру спутниковых навигационных систем 2, где эти сигналы обрабатываются и преобразуются в параметры движения судна в цифровом виде, и передаются в управляющий компьютер 3, в который также поступает информация об угле крена и угле дифферента корпуса судна от инерциального измерительного модуля 4 и информация о вертикальной и горизонтальной составляющих скорости течения водного потока от профилометра течений 5. Сбор всех измеряемых параметров в режиме реального времени и их обработка производится управляющим компьютером 3, который также используется для хранения архивов данных и их передачи для проверки или камеральной обработки. Питание всех электронных компонентов осуществляется от аккумулятора 8, входящего в состав устройства.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает более точное определение и регистрацию ходовых и маневренных характеристик судов во время их испытаний за счет учета и регистрации влияния гидрологических факторов, таких как скорость и направление течений на определяемые параметры судна, а также возможность его выполнения как мобильного (переносного) оборудования.
В дальнейшем, устройство предполагается использовать для определения ходовых и маневренных характеристик судов различного назначения, в т.ч. безэкипажных или автономных надводных судов при проведении натурных испытаний.
Предлагаемая полезная модель была разработана сотрудниками ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательских работ.
Было произведено моделирование устройства с необходимыми расчетами и изготовлен его макет, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».