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. 25.06.2015).
o
Способ заключается в том, что в пределах контура судна в его ДП 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 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
2
0
y
o
o
xoF
xoA
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 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, d больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (*) 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 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 судна от линии OY будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
,
где  - 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 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):
,
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, меняется положение и ориентация координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции.
o
o
o
х
y
х
у
Однако при выполнении ряда ключевых судовых операций изменение положения заданной точки О (начало координатной системы XOY) на плоскости, а также направления ДП судна (положительное направление оси OY) необходимо соблюдать условие прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров движения судна (υ - продольная составляющая линейной скорости υ судна; υ - поперечная составляющая линейной скорости υ судна; ω - угловая скорость судна), так как в процессе движения судна из одной точки в другую кинематические параметры его движения не всегда остаются постоянными, исходя из целей и задач выполняемого маневрирования. Так, например, в процессе швартовки судна кинематические параметры его движения будут постоянно меняться, отвечая требованиям безопасности ее выполнения. При этом в конечной стадии швартовки кинематические параметры движения швартующегося судна, исходя из требований безопасности выполнения швартовки, должны иметь нулевые значения (υ=0; υ=0; ω=0). То же самое можно сказать и о маневрировании судна при динамическом позиционировании, когда в заданной позиционной точке указанные кинематические параметры движения судна должны иметь те же значения, что и в конечной стадии швартовки.
o
o
o
Способ управления движением судна, рассматриваемый в качестве прототипа (Пат. РФ №2553610, опубл. 05.06.2015), не обеспечивает в полной мере выполнения условий энергетической эффективности и безопасности при выполнении ряда ключевых судовых операций, так как не предусматривает возможные необходимые изменения кинематических параметров движения судна при переходе его из одной точки в другую, заданную положением координатной системы XOY, как ее началом (точка О), так и положительным направлением оси OY.
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 учетом соблюдения условия прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров его движения 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
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:
,
1
2
0
у
o
o
xoF
xoA
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 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, d больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (*) 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 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). Соотношение значений коэффициентов α и α может 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  - 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 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):
,
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 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.
Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются:
o
хт
ут
т
хз
уз
з
для обеспечения вывода и удержания управляемого судна в заданном положении, когда ДП судна совпадает с положительным направлением оси OY, условная точка судна G совпадает с положением точки О на поверхности Земли, а кинематические параметры движения судна в заданной точке соответствуют требованиям энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, дополнительно формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (υ, υ, ω) и заданных (υ, υ, ω) кинематических параметров движения судна сигнал на их изменение:
хз
уз
хт
ут
з
т
1
2
3
где υ, υ - заданные значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; υ, υ - текущие значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; ω - заданное значение угловой скорости судна; ω - текущее значение угловой скорости судна; κ, κ, κ - коэффициенты усиления.
хз
уз
з
При этом заданные значения кинематических параметров движения судна (υ, υ, ω) определяют исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
1
2
3
Коэффициенты усиления (κ, κ, κ) подбирают специально для конкретного судна исходя из особенностей его маневрирования при выполнении конкретной судовой ключевой операции с целью повышения качества ее выполнения.
Предлагаемый способ управления движущимся судном иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
0
На фиг. 1, 2, 3, 4 изображены возможные варианты отклонения судна от оси OY, на фиг. 5 - управление судном предлагаемым способом.
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 с учетом соблюдения условия прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров его движения 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
yo
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(dF) 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
2
0
у
o
o
xoF
xoA
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 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, d больше 0 (фиг. 2). В первом случае (фиг. 1) согласно закону (*) 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 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). Соотношение значений коэффициентов α и α может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП судна от линии OY 2 будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
,
где  - 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 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):
,
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.
хт
ут
т
хз
уз
з
Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (υ, υ, ω) и заданных (υ, υ, ω) кинематических параметров движения судна сигнал на их изменение:
,
хз
уз
хт
ут
з
т
1
2
3
где υ, υ - заданные значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; υ, υ - текущие значения продольной и поперечной составляющих линейной скорости υ судна; ω - заданное значение угловой скорости судна; ω - текущее значение угловой скорости судна; κ, κ, κ - коэффициенты усиления.
хз
уз
з
При этом заданные значения кинематических параметров движения судна (υ, υ, ω) определяют исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.
1
2
3
Коэффициенты усиления (κ, κ, κ) подбирают специально для конкретного судна исходя из особенностей его маневрирования при выполнении конкретной судовой ключевой операции с целью повышения качества ее выполнения.
Таким образом, судно приходит в заданную точку на плоскости с заданными из условий энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции кинематическими параметрами движения судна.
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 учетом соблюдения условия прихода судна в заданную точку с определенными значениями кинематических параметров его движения исходя из требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции.