Способ управления движущимся судном
MOVING VESSEL CONTROL METHOD

Изобретение относится к управлению движущимся судном во время выполнения им ключевой судовой операции, например швартовной операции или динамического позиционирования, с соблюдением требований безопасности и эффективности ее осуществления и касается автоматического управления движительно-рулевым комплексом судна с использованием значений координат двух разнесенных по длине судна точек в заданной координатной системе, положение и ориентация которой на плоскости определяется энергетической эффективностью и безопасностью выполняемого маневрирования.
Известен способ управления движущимся судном по величине поперечных смещений двух разнесенных по длине судна точек, условно называемых носовой F и кормовой А, и условной точки G, расположенной в пределах корпуса судна в его диаметральной плоскости (ДП), текущее положение которой определяют исходя из текущих значений координат носовой F и кормовой А точек (Пат. РФ №2553610, опубл. 05.06.2015).
o
Способ заключается в том, что в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 1-5), а другая  - к корме судна (точка А на фиг. 1-5) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками F и А выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением позиционирующего судна относительно оси OY.
Координаты точек F и А определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.
xoF
xoA
o
yoF
yoA
o
o
o
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F (d) и точки A (d) от оси OY и продольные отклонения точки F (d) и точки A (d) от оси OX. Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы XOY, в котором находятся точки F и А.
Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
1
2
0
где α, α - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY.
y
o
o
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
o
xoF
xoA
o
Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна от оси OY. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна пересекает ось OY под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d) и точки А (d), причем d больше 0, d меньше 0 (фиг. 1) и d меньше 0, dбольше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY; во втором случае (фиг. 2) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d, d и к совпадению ДП судна и оси OY.
o
y
1
2
1
2
1
2
На фиг. 3, 4 ДП судна не пересекает линию OY, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 3 и отрицательные на фиг. 4. Знак σ и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α и α (α больше α, если знаки поперечных смещений точек F и А одинаковы, фиг. 3, 4; α и α будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и А противоположны, фиг. 1, 2).
1
2
o
Соотношение значений коэффициентов α и αможет быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП судна от линии OY будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
где l - расстояние между точками F и А.
Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
1
2
o
x
где β, β - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OX. Сигнал σ считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку О в процессе выполнения ключевой судовой операции будет обеспечиваться исходя из условия
от
от
оз
оз
o
o
o
Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ, λ) и заданных (ϕ, λ) координат точки О сигнал на изменение положения начала координатной системы XOY (σ):
от
от
где ϕ, λ - текущие значения широты и долготы точки О соответственно;
оз
оз
ϕ, λ - заданные значения широты и долготы точки О соответственно;
1
2
χ, χ - коэффициенты усиления.
o
т
з
Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY относительно направления на N с учетом значений текущего Ψ и заданного Ψ угла поворота:
где γ - коэффициент усиления.
оз
оз
o
o
При этом значения заданных координат (ϕ, λ) начала координатной системы XOY определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования, например при выполнении швартовной операции.
o
Значение заданного направления оси OY определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна. В частности, при позиционировании судна в заданной точке указанное направление определяют с учетом текущего значения направления ветра в районе позиционирования.
o
o
Таким образом, меняют положение и ориентацию координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.
o
o
o
o
Однако изменение положения координатной системы XOY без учета динамических свойств управляемого судна может привести к ситуации, когда поставленная цель планируемого маневра окажется недостижимой, то есть управляемое судно не в состоянии будет выполнить определенную команду на приведение его в заданное положение, соответствующее заданному положению координатной системы XOY минимум по двум причинам:
- особенности динамических свойств судна с учетом влияния внешних факторов (ветер, волнение, течение, мелководье, ледовые условия) не позволяют выполнить заданный маневр;
- особенности технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна не позволяют реализовать сформированный сигнал управления.
Относительная скоротечность выполнения маневра любой сложности не представляет судоводителю достаточно времени для анализа степени и характера влияния множества факторов на поведение судна. В этих условиях целесообразно использовать возможности бортового компьютера. Для этого необходимо, прежде всего, иметь в памяти компьютера математическую модель судна (ММС) или несколько его моделей, а также адекватное запрограммированное математическое описание характера воздействия внешних факторов на динамические свойства судна.
Известными программными методами в оперативную память бортового компьютера необходимо своевременно вносить значения параметров, характеризующих текущее состояние загрузки судна и внешней среды в районе предполагаемого или планируемого маневрирования и, наконец, если это возможно, используя графические возможности бортового компьютера, предусмотреть присутствие на экране монитора отображения навигационной обстановки в районе маневрирования.
o
o
Наличие указанной информации позволит судоводителю заранее, а возможно и непосредственно перед выполнением маневра, смоделировать процесс его протекания при реальном множестве комбинаций управляющих воздействий на судно с использованием технических возможностей его движительно-рулевого комплекса, что позволит установить возможность выполнения маневра в соответствии с целенаправленным перемещением координатной системы XOY.
o
o
На основании вышесказанного можно утверждать, что одним из необходимых условий решения задачи управления судном посредством целенаправленного перемещения координатной системы XOY, с учетом соблюдения требований безопасности выполнения маневра, является использование прогностических модулей для бортового компьютера на базе ММС, адекватно описывающей его динамику при любом заданном состоянии загрузки судна и разнообразном сочетании внешних факторов.
Предлагаемый способ управления движущимся судном иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
о
На фиг. 1, 2, 3, 4 изображены возможные варианты отклонения судна от оси OY, на фиг. 5 - управление судном предлагаемым способом.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в приведении судна в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движения судна по заданной траектории при периодическом изменении заданного положения с использованием ММС для прогнозирования возможности выполнения заданного маневра с учетом динамических свойств судна, влияния внешних факторов на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
o
Для достижения указанного технического результата в способе управления движущимся судном, когда в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 1-5), а другая - к корме судна (точка А на фиг. 1-5) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками F и А выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением позиционирующего судна относительно оси OY.
Координаты точек F и А определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.
xoF
xoA
o
yoF
yoA
о
o
o
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F (d) и точки A (d) от оси OY и продольные отклонения точки F (d) и точки A (d) от оси ОХ. Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы XOY, в котором находятся точки F и А.
Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону (1).
y
o
o
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
o
xoF
xoA
o
Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна от оси OY. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна пересекает ось OY под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d) и точки A (d), причем d больше 0, d меньше 0 (фиг. 1) и d меньше 0, d больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY; во втором случае (фиг. 2) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d, d и к совпадению ДП судна и оси OY.
o
y
1
2
1
2
1
2
1
2
o
На фиг. 3, 4 ДП судна не пересекает линию OY, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 3 и отрицательные на фиг. 4. Знак σ и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α и α (α больше α, если знаки поперечных смещений точек F и А одинаковы (фиг. 3, 4); α и αбудут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и А противоположны (фиг. 1, 2). Соотношение значений коэффициентов α и αможет быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП судна от линии OY будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
,
где l - расстояние между точками F и А.
Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
,
1
2
o
х
где β, β - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OX. Сигнал σ считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку О в процессе выполнения ключевой судовой операции будет обеспечиваться исходя из условия
.
от
от
оз
оз
o
o
o
Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ, λ) и заданных (ϕ, λ) координат точки О сигнал на изменение положения начала координатной системы XOY (σ):
,
от
от
оз
оз
1
2
где ϕ, λ - текущие значения широты и долготы точки О соответственно; ϕ, λ - заданные значения широты и долготы точки О соответственно; χ, χ - коэффициенты усиления.
o
T
з
Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY относительно направления на N с учетом значений текущего Ψ и заданного Ψ угла поворота:
,
где γ - коэффициент усиления.
оз
оз
o
o
При этом значения заданных координат (ϕ, λ) начала координатной системы XOY определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования, например при выполнении швартовной операции.
o
Значение заданного направления оси OY определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна. В частности, при позиционировании судна в заданной точке указанное направление определяют с учетом текущего значения направления ветра в районе позиционирования.
o
o
Таким образом, меняют положение и ориентацию координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.
Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного вышеизвестного, наиболее близкого к нему, является:
o
o
o
- для обеспечения вывода управляемого судна в заданное положение, когда ДП судна совпадает с положительным направлением оси OY, а условная точка судна G совпадает с положением точки О на поверхности Земли, с использованием бортового компьютера на базе ММС с учетом установленной заданным положением системой координат XOY заданного места судна на поверхности Земли, прогнозируют возможность выполнения заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции;
o
o
- дополнительно, по результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат XOYположение на поверхности Земли, принимают решение о выполнении заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
o
o
Если по результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат XOY положение на поверхности Земли окажется, что прогнозируемый маневр с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, не выполним, возможны два варианта принятия решения о дальнейшем управлении движением судна:
1-й вариант - маневр не выполняется;
o
o
2-й вариант - заданное положение координатной системы XOY меняют до тех пор, пока планируемый маневр окажется выполнимым по результатам прогнозирования возможности его выполнения с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
Предлагаемый способ управления движущимся судном для приведения судна в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движения судна по заданной траектории при периодическом изменении заданного положения с использованием ММС для прогнозирования возможности выполнения заданного маневра с учетом динамических свойств судна, влияния внешних факторов на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции осуществляется следующим образом:
o
в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 1-5), а другая - к корме судна (точка А на фиг.1-5) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками F и А выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением позиционирующего судна относительно оси OY.
Координаты точек F и А определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.
xoF
xoA
o
yoF
yoA
o
o
o
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F (d) и точки A (d) от оси OY и продольные отклонения точки F (d) и точки A (d) от оси OX. Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы XOY, в котором находятся точки F и А.
Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
,
1
2
o
где α, α - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY.
y
o
o
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
o
xoF
xoA
o
Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна 1 от оси OY. Например, на фиг. 1, 2 ДП судна 1 пересекает ось OY 2 под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F (d) и точки А (d), причем d больше 0, d меньше 0 (фиг. 1) и d меньше 0, d больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY; во втором случае (фиг. 2) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d, d и к совпадению ДП судна и оси OY.
o
y
1
2
1
2
1
2
1
2
o
На фиг. 3, 4 ДП судна не пересекает линию OY, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 3 и отрицательные на фиг. 4. Знак σ и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α и α (α больше α, если знаки поперечных смещений точек F и А одинаковы (фиг. 3, 4); α и αбудут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и А противоположны (фиг. 1, 2). Соотношение значений коэффициентов α и αможет быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП судна от линии OY будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
,
где l - расстояние между точками F и А.
Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
,
1
2
o
x
где β, β - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OX. Сигнал σ считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку О в процессе выполнения ключевой судовой операции будет обеспечиваться исходя из условия
.
от
от
оз
оз
o
o
o
Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ, λ) и заданных (ϕ, λ) координат точки О сигнал на изменение положения начала координатной системы XOY (σ):
,
от
от
оз
оз
1
2
где ϕ, λ - текущие значения широты и долготы точки О соответственно; ϕ, λ - заданные значения широты и долготы точки О соответственно; χ, χ - коэффициенты усиления.
o
т
з
Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY относительно направления на N с учетом значений текущего Ψ и заданного Ψ угла поворота:
,
где γ - коэффициент усиления.
оз
оз
o
o
При этом значения заданных координат (ϕ, λ) начала координатной системы XOY определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования, например при выполнении швартовной операции.
o
Значение заданного направления оси OY определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна. В частности, при позиционировании судна в заданной точке указанное направление определяют с учетом текущего значения направления ветра в районе позиционирования.
o
o
Таким образом, меняют положение и ориентацию координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.
o
o
С использованием бортового компьютера на базе ММС с учетом установленной заданным положением системы координат XOY заданного места судна на поверхности Земли, прогнозируют возможность выполнения заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
o
o
По результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат XOY положение на поверхности Земли, принимают решение о выполнении заданного маневра с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
o
o
Если по результатам оценки возможности выполнения заданного маневра по выходу судна в заданное системой координат XOY положение на поверхности Земли окажется, что прогнозируемый маневр с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, не выполним, возможны два варианта принятия решения о дальнейшем управлении движением судна:
1-й вариант - маневр не выполняется;
o
o
2-й вариант - заданное положение координатной системы XOY меняется до тех пор, пока планируемый маневр окажется выполнимым по результатам прогнозирования возможности его выполнения с учетом: динамических свойств судна, влияния внешних факторов в районе маневрирования на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
В результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата - обеспечение приведения судна в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движения судна по заданной траектории при периодическом изменении заданного положения с использованием математической модели судна (ММС) для прогнозирования возможности выполнения заданного маневра с учетом динамических свойств судна, влияния внешних факторов на динамику движения судна, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса судна, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.