СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИЕЙ ДВИЖЕНИЯ СУДНА
METHOD OF CONTROLLING SHIP TRAJECTORY

Изобретение относится к судовождению и может быть использовано для автоматизации управления траекторией движения любых типов судов, выполняющих сложное маневрирование, в частности, с большими углами дрейфа.
Существует способ управления траекторией движения судна, например, при динамическом позиционировании, который основан на определении параметров вектора аэродинамической силы, действующей на судно, с использованием датчиков, измеряющих направление и скорость ветра, а также математической модели судна, расчете параметров суммарного вектора тяги движительно-рулевого комплекса судна, направление которого противоположно направлению вектора аэродинамической силы, а модуль равен модулю аэродинамической силы [1], [2], [7].
Однако такой способ управления имеет ряд недостатков:
во-первых, все внешние воздействия, кроме аэродинамического, учитываются методом последовательных приближений, что требует неоднократного определения значений их параметров по результатам многократных промахов при приведении судна в заданное конечное положение;
во-вторых, указанные промахи возможны и по причине неадекватности математической модели судна, используемой в системе управления, так как ее параметры не идентифицируются с учетом текущих значений гидродинамических и аэродинамических параметров корпуса судна, которые имеют свойство меняться даже в процессе выполнения маневра;
в-третьих, неоднократные промахи при выходе в заданное конечное положение снижают эффективность работы системы управления судном, в основном за счет увеличения энергетических затрат, расходуемых на обеспечение выхода судна в заданное конечное положение;
в-четвертых, в целях обеспечения безопасности при выполнении отдельных маневров (швартовка к причалу) непопадание судна в заданное конечное положение недопустимо, указанный способ этого не предусматривает.
Известен способ определения гидродинамических параметров математической модели движения судна, включающий использование двух разнесенных по длине диаметральной плоскости судна носовой F и кормовой А точек с установленными в них приемниками СНС для измерения координат этих точек, определение кинематических параметров движения судна, непрерывную идентификацию математической модели судна (Пат. РФ №2442718, опубл. 20.02.2012). Изобретение позволяет повысить точность прогнозирования движения судна при маневрировании. Данный способ наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип.
Целью изобретения является повышение безопасности выполнения судном сложных маневров, а также повышение эффективности использования средств управления судном и, как следствие, экономии его энергетических ресурсов.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
0
0
к
к
Управление осуществляют регулированием текущих значений параметров векторов линейных скоростей двух разнесенных по длине судна точек, расположенных в его диаметральной плоскости (ДП), условно называемых носовой F и кормовой А (фиг.1). В качестве регулируемых параметров рассматривают модули векторов линейной скорости носовой
и линейной скорости кормовой
точек судна, а также их направления. Управление направлениями векторов
и
осуществляют исходя из условия их постоянной направленности в заданную точку в неподвижной координатной системе X0Y, а именно, вектор
в процессе движения направлен в точку F, конечное заданное положение носовой F точки судна, вектор
в процессе движения направлен в точку А, конечное заданное положение кормовой А точки судна. Управление модулями векторов
и
осуществляют путем оценки соотношений заданных значений каждого из модулей, рассчитанных методом компьютерного моделирования с использованием идентифицируемой в процессе движения математической модели судна [3], [4], [5], [6], с соответствующими текущими значениями этих модулей, определяемых с помощью акселерометров, установленных в носовой F и кормовой А точках судна.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
В заявляемом способе управления траекторией движения эффективность работы систем управления судном определяется уменьшением количества попыток вывода судна в заданное конечное положение (т.е. промахов). Этот эффект достигается за счет постоянной идентификации математической модели судна (общий признак) и ее использования для определения заданных значений модулей векторов
и
. С помощью акселерометров определяют текущие значения векторов
и
и полученные данные используют для формирования управляющего сигнала σ для движительно-рулевого комплекса (ДРК) судна. Таким образом, повышение эффективности работы систем управления судном позволяет уменьшить количество пробных выводов судна в заданную конечную позицию и тем самым уменьшить количество циклов работы ДРК судна и, как следствие, соответственно уменьшить энергетические затраты.
Сущность способа управления траекторией движения судна поясняется чертежами, представленными на фиг.1, 2, и заключается в следующем.
к
к
к
0
0
к
0Fк
0Fк
к
0Aк
0Aк
к
0Gк
0Gк
н
0Fн
0Fн
н
0Ан
0Ан
н
0Gн
0Gн
0F
0F
0A
0A
0G
0G
F
A
Заданное конечное положение точек F, А и G (центр тяжести) (фиг.1, 2) в неподвижной системе координат X0Y задается их координатами, т.е. F(X, Y), А(X, Y), G(X, Y). Координаты начального положения точек F(X, Y), А(Х, Y) G(Х, Y) определяют с использованием спутниковой навигационной системы (СНС), также определяют текущие значения координат этих точек в процессе выполнения маневрирования F(Х, Y), А(Х, Y), G(Х, Y). Для определения координат указанных точек с помощью СНС приемники устанавливают в двух точках: носовой F и кормовой А, координаты третьей точки G определяют вычислением с учетом ее положения относительно носовой F и кормовой А точек. Если расстояние от точки F до точки G равно l (фиг.2), а от точки А до точки G равно l, то текущие значения координат точки G с учетом текущих значений координат точек F и А будут равны:
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><mn>0</mn><mi>G</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mrow><mn>0</mn><mi>F</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>l</mi><mi>F</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>X</mi><mrow><mn>0</mn><mi>A</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>l</mi><mi>F</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mn>0</mn><mi>G</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mn>0</mn><mi>F</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>l</mi><mi>F</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mn>0</mn><mi>A</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>l</mi><mi>F</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
к
н
н
к
н
к
н
к
н
к
Значение планируемого времени перехода судна из начального положения в конечное положение Δt=t-t (t - время начала маневрирования судна, t - время прихода судна в заданное конечное положение) определяют методом компьютерного моделирования планируемого маневра судна из исходного положения в конечное с использованием идентифицированной математической модели судна и с учетом параметров, характеризующих факторы внешней среды в районе выполнения маневра. При этом достаточно рассчитать допустимую скорость одной точки судна, например его центра тяжести (ЦТ) на пути GG или любой другой точки судна, лежащей в его ДП, согласно фиг.1, например, носовой точки F на пути FF или кормовой точки А на пути АА. В дальнейшем можно использовать осредненное из трех значение Δt по результатам его определения для каждой из указанных точек.
Gн
Fн
Ан
Учитывая, что все рассматриваемые точки должны оказаться в заданном конечном положении одновременно, для определения заданных начальных значений модулей векторов линейных скоростей точек G, F, A, а именно, υ, υ, υ используют зависимость
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>G</mi><mi>к</mi></msub><mo>/</mo><mi>υ</mi><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>F</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>к</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>F</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>A</mi><mi>к</mi></msub><mo>/</mo><mi>υ</mi><msub><mi>A</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
откуда:
<mrow><mi>υ</mi><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>G</mi><mi>к</mi></msub><mo>/</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><msub><mi>υ</mi><mtext>F</mtext></msub><msub><mrow /><mtext>н</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>к</mi></msub><mo>/</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mi>υ</mi><msub><mtext>A</mtext><mtext>н</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>A</mi><mi>к</mi></msub><mo>/</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
к
к
к
к
к
В процессе движения судна к конечному положению, заданные значения модулей векторов
и
корректируют исходя из условия равенства их нулю в момент выхода точек F и А в заданное конечное положение F и А соответственно. Для этого определяют прогнозируемое время выхода точек (F, A, G) в планируемое конечное положение (F, А, G) и вычитанием значения текущего времени из значения прогнозируемого времени рассчитывают временной интервал, необходимый для уменьшения скоростей движения точек F и А до нулевого значения. Методом компьютерного моделирования с использованием идентифицированной математической модели судна определяют заданные на данный момент времени значения модулей векторов скоростей
и
.
<mrow><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>G</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>G</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
к
Заданные направления векторов скоростей перемещения точек
,
и
в начале маневра и в течение всего периода его выполнения определяют из условия постоянной направленности соответствующего вектора в соответствующую конечную точку. Например, в процессе движения судна из начального положения в конечное отклонение вектора скорости точки
от линии, соединяющей текущее положение точки F и ее конечное положение F, должно иметь нулевое значение. В процессе выполнения маневра ведут постоянный пересчет заданных значений направлений векторов
,
,
.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
xF
yF
xA
yA
F
A
F
A
Текущие значения модулей и направлений векторов
и
определяют с помощью акселерометров, установленных в точках F и А соответственно, при этом учитывают текущее значение курса судна ψ. Акселерометры измеряют продольные и поперечные линейные ускорения точек F(w, w) и A(w, w), а величины текущих значений модулей (υ, υ) и направлений (φ, φ) линейных скоростей точки F и точки А (фиг.2) рассчитывают на основании очевидных соотношений:
F
A
где β, β - текущие значения углов дрейфа в точках F и А соответственно.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>F</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
Величину сигнала управления σ, передаваемую на движительно-рулевой комплекс судна, формируют из величин разностей текущих и заданных значений как модулей, так и направлений векторов
и
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>υ</mi><mi>F</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>F</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>F</mi><mi>з</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>υ</mi><mi>А</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>А</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>А</mi><mi>з</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>ϕ</mi><mi>F</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>F</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>F</mi><mi>з</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>ϕ</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>A</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>А</mi><mi>з</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>15</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Fт
Aт
Fт
Ат
Fз
Aз
Fз
Аз
υF
υA
φF
φA
здесь υ, υ, φ, φ, υ, υ, φ, φ - текущие (индекс «т») и заданные (индекс «з») значения модулей и направлений векторов скоростей точек F и A; k, k, k, k - коэффициенты усиления.
Для повышения точности определения значений прогнозируемых с помощью компьютерного моделирования и необходимых для формирования сигнала управления параметров и, в конечном итоге, для повышения безопасности выполнения маневра, необходимо в течение всего процесса маневрирования непрерывно идентифицировать математическую модель судна известными методами [3], [4], [5], [6].
Литература
1. Барахта А.В., Юдин Ю.И. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования: Мурманск, Вестник МГТУ, том. 12, №2, 2009. с.255-258.
2. Петров Ю.П., Червяков В.В. Системы стабилизации буровых судов. Л.: Судостроение, 216 с., 1985 (Техника освоения океана).
3. Юдин Ю.И. Использование принципа максимума для параметрической идентификации математической модели судна / С.В.Пашенцев, Ю.И.Юдин // Наука и техника транспорта. - 2006. - №2. - С.100-107.
4. Юдин Ю.И. Идентификация параметров тренажерной модели движения танкера / Ю.И.Юдин, Г.И.Мартюк // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN, 2004: материалы 4-й междунар. конф. (Калининград, 9-10 июня 2004 г.) / БГАРФ. - Калининград, 2004. - С.154-159.
5. Юдин Ю.И. Идентификация модели судна - важнейший элемент управления безопасностью мореплавания / Ю.И.Юдин, Р.Г.Степахно // Управление безопасностью мореплавания и подготовки морских специалистов: SSN, 2002: материалы 3-й междунар. конф. (Калининград, 27-29 ноября 2002) / БГАРФ. - Калининград, 2003. - С.274-283.
6. Эйкхоф П. Основы идентификации систем управления / П.Эйкхоф. - М.: Мир, 1975. - 432 с.
7. Operator Manual Kongsberg Simrad SDP. Dynamic Positioning System (Rel. 4.0 Update 5), p.492, 2003.