СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМСЯ СУДНОМ
METHOD OF CONTROL OVER SHIP AFLOAT

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 С, 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 №2599030, опубл. 10.03.2014).
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. 1-4), а другая к корме судна (точка А на фиг. 1-4) 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 судна для удержания его на заданной линии положения диаметральной плоскости (ДП).
Координаты этих точек 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
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные смещения точки F (d) и точки A (d) от заданной линии положения ДП. Причем поперечное смещение точки от заданной линии положения ДП считается положительным, если она смещается вправо и отрицательным, если она смещается влево (фиг. 1-4).
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
1
2
1
2
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
где α, α - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной линии положения ДП. Это положительные величины, причем α больше α. 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 заданной линии 2 положения ДП 3. Например, (фиг. 1, 2) ДП 3 судна 1 пересекает заданную линию 2 положения ДП 3 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 выходу судна 1 на заданную линию 2 положения ДП 2; 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 выходу судна на заданную линию 2 положения ДП.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 3, 4 ДП 3 судна 1 не пересекает заданную линию 2 положения ДП, 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). Соотношение значений коэффициентов α и α может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления движения судна от заданного линией положения ДП будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
,
где l - расстояние между точками F и А.
Для обеспечения вывода позиционирующего судна в заданную точку D, условием которого является совпадение положений точек C и D на плоскости, формируют дополнительный сигнал управления, по закону
S
S
δS=kd,
S
S
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
где k - коэффициент усиления по продольному смещению условной точки D от линии, перпендикулярной заданной линии (условно линия L1) и проходящей через заданную точку C (условно линия L2), это положительная величина. Возможны два варианта отклонения точки C от линии L2, здесь же указаны знаки соответствующих отклонений d. Текущее положение точки C, расположенной в пределах корпуса судна в его ДП, определяют исходя из значений текущих координат носовой F и кормовой A точек. Однако при выполнении ряда ключевых судовых операций требуется периодическое изменение как положения заданной точки O (начало координатной системы XOY) на плоскости (фиг. 5), так и направление ДП судна (положительное направление оси OY). При этом положение точки O на плоскости определяется ее заданными координатами, а заданное направление оси OY заданной величиной угла поворота относительно направления на N (норд). Заданные координаты точки O и заданный угол поворота оси OY могут задаваться как вручную судоводителем, управляющим судном, так и автоматически по заданной программе плавания в процессе сложного маневрирования. Например, при выполнении динамического позиционирования заданный угол поворота оси OY определяется направлением ветра и волнения, имеющим переменный характер во времени, то есть ДП позиционирующего судна в целях минимизации энергетических затрат на приведение судна в заданное положение должно удерживаться носом на ветер, поэтому при изменении направления ветра, направление оси OY должно меняться. В ходе выполнения швартовной операции меняется не только заданное направление оси OY, но и заданное положение начала координатной системы XOY с целью минимизации энергетических затрат на выполнение швартовной операции и обеспечение ее безопасности. Таким образом, позиционирование судна в заданной точке сопряжено с периодическим изменением угла поворота его ДП в заданном направлении, а позиционирование судна на заданной траектории сопряжено с периодическим изменением положения заданной точки О и заданного направления оси OY. Способ управления движением судна, рассматриваемый в качестве прототипа (Пат. РФ №2509030, опубл. 10.03.2014), не обеспечивает в полной мере выполнение условий энергетической эффективности и безопасности при осуществлении позиционирования судна в заданной точке и на заданной траектории, так как не предусматривает возможные изменения положения заданной точки O и заданного направления оси OY, неизбежные при позиционировании как в заданной точке, так и на заданной траектории.
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 с соблюдением условия периодического изменения заданного положения, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
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 A на фиг. 1-5) относительно плоскости мидель - шпангоута. Расстояние между точками F и A 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 положением судна относительно заданной линии положения ДП.
Координаты этих точек 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
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные смещения точки F (d) и точки A (d) от заданной линии положения ДП. Причем поперечное смещение точки от заданной линии положения ДП считается положительным, если она смещается вправо, и отрицательным, если она смещается влево (фиг. 1-5).
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна, по закону:
1
xoF
2
xoA
σ=α×d+α×d,
1
2
1
2
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
где α, α - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной линии положения ДП. Это положительные величины, причем α больше α. 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 заданной линии 2 положения ДП 3. Например, (фиг. 1, 2) ДП 3 судна 1 пересекает заданную линию 2 положения ДП 3 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 1 против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к выходу судна 1 на заданную линию 2 положения ДП; 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 выходу судна 1 на заданную линию 2 положения ДП.
1
2
1
2
1
2
На фиг. 3, 4 ДП 3 судна 1 не пересекает заданную линию 2 положения ДП 3, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные (фиг. 3) и отрицательные (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).
В прототипе для обеспечения вывода позиционирующего судна 1 в заданную точку D, условием которого является совпадение положений точек С и D на плоскости, формируют дополнительный сигнал управления, по закону
S
S
δS=kd,
S
S
где k - коэффициент усиления по продольному смещению условной точки D от линии, перпендикулярной заданной линии (условно линия L1) и проходящей через заданную точку C (условно линия L2), это положительная величина. На Фиг. 5 показаны два возможных варианта отклонения точки C от линии L2, здесь же указаны знаки соответствующих отклонений d. Текущее положение точки C, расположенной в пределах корпуса судна в его ДП, определяют исходя из значений текущих координат носовой F и кормовой А точек.
Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:
o
- для обеспечения вывода и удержания управляемого судна в заданном положении, когда ДП судна совпадает с положительным направлением оси OY, а условная точка судна G совпадает с положением точки О на поверхности Земли, формируют два сигнала управления:
xoF
yoF
o
o
xoA
yoA
o
o
xoF
yoF
xoA
yoA
o
o
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
y
х
где d, d - отклонения носовой точки судна от оси OY и ОХ соответственно (фиг. 5); d, d - отклонения кормовой точки судна от оси OY и ОХ соответственно; знаки отклонений d, d и d, d определяют с учетом места расположения соответствующей точки (F или А) в координатной системе XOY; α, α, β, β - коэффициенты усиления, подбираемые специально для конкретного судна и конкретной судовой ключевой операции с целью повышения качества управления при ее выполнении; значения коэффициентов α, α, β, β могут быть определены компьютерным моделированием конкретной судовой ключевой операции, например, α=-1,1; α=0,9; β=-1,0; β=-1,0. Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. Сигнал σ считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом;
от
от
оз
оз
o
o
o
- дополнительно 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):
o
1
оз
от
2
оз
от
σ=χ×(φ-φ)+χ×(λ-λ),
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:
Ψ
з
т
σ=γ×(Ψ-Ψ),
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, меняется положение и ориентация координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
Предлагаемый способ управления движущимся судном для приведения его в заданное положение на плоскости при выполнении удержания судна в заданном положении или движении судна по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции осуществляется следующим способом:
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 A 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 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:
y
1
xoF
2
xoA
σ=α×d+αd,
1
2
o
y
o
o
xoF
хоA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
o
xoF
xoA
o
где α, α - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY. 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 2. 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
у
1
2
1
2
1
2
1
2
o
На фиг. 3, 4 ДП 3 судна 1 не пересекает линию OY 2, 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). Соотношение значений коэффициентов α и α может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП 3 судна 1 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:
х
1
yoF
2
yoA
σ=β×d+βd
1
2
o
х
где β, β - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси ОХ. 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):
о
1
оз
от
2
оз
от
σ=χ×(φ-φ)+χ×(λ-λ),
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:
Ψ
з
т
σ=γ×(Ψ-Ψ),
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 1 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, меняется положение и ориентация координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной 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 с соблюдением условия периодического изменения заданного положения, исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, например швартовной операции или позиционирования в заданной точке.