СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПРОВОДКИ СУДНА
METHOD FOR AUTOMATIC PILOTAGE OF SHIP

Изобретение относится к автоматическим средствам управления судами, а также к решениям по мониторингу показателей или эксплуатационных параметров судов во время работы, в частности, для контролирования работы судов, например, для мониторинга их скорости, курса с использованием моделей или симуляции, например, статистических или стохастических моделей, и может быть использовано при проведении опытов по внедрению технологий безэкипажного (автономного) судоходства, а также в реальной обстановке.
Отрасль судоходства переживает в настоящее время научно-техническую революцию в результате внедрения концепции е-Навигации, результатом которой становится постепенное усиление интеллектуальной поддержки действий человека-оператора в процессе маневрирования судна.
Актуальным становится внедрение технологий безэкипажного судоходства.
Известен по патенту РФ на изобретение №2207585 «Способ визуализации навигационной обстановки при судовождении», МПК G01S 7/00, опубл. 27.06.2003 г.
Изобретение относится к области судовождения и может быть использовано при разработке авторулевого. В предлагаемом способе визуализация навигационной обстановки при судовождении производится путем создания при контрольном проходе судна по заданной траектории электронной радиолокационной карты местности, в виде последовательности радиолокационных изображений, координаты центров которых определяются с помощью СНС, наложения на нее текущих радиолокационных изображений, получаемых при проходе судна по заданной траектории, координаты центров которых также получают от СНС, и последующей оценки совпадения текущего радиолокационного изображения и электронной радиолокационной карты местности, по которому судят об отклонении судна от заданного маршрута и о достоверности информации, получаемой от СНС и РЛС кругового обзора, причем, положение антенны РЛС кругового обзора, координаты центров радиолокационных изображений, используемых для создания электронной радиолокационной карты местности, и центр текущего радиолокационного изображения определяют сопряжением РЛС кругового обзора с ПЭВМ и аппаратурой СНС. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности отображаемой навигационной информации.
Известен по патенту РФ на изобретение №2501708 «Способ автоматической проводки судна», МПК В63Н 25/00, опубл. 20.12.13 г.
Изобретение относится к судовождению. Способ включает измерение параметров движения и угловой скорости, их последующее сравнение с программными значениями данных параметров движения и формирование управляющего сигнала на рулевой привод в функции данных рассогласований и скорости судна. При измерении параметров движения судна датчиками дополнительно измеряют параметры ветра, углы тяги, эксцентриситет и обороты движителей, обороты подруливающего устройства, глубину под килем, а также определяют траектории движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей. Программные значения угла курса, угловой скорости положения руля определяют в соответствии с моделью движения судна в дополнительной функции скорости и направления ветра, углов тяги, эксцентриситета и оборотов движителей, оборотов подруливающего устройства, глубины под килем, траекторий движения центра тяжести, носовой и кормовой оконечностей и углов дрейфа и сноса судна. Управляющий сигнал через аппаратные средства программного обеспечения автоматически подается на авторулевой с четырех секторных приемников, при этом команды на авторулевой сопровождаются подачей сигналов маневроуказания. Достигается повышение точности управления судном и повышение безопасности его плавания в стесненных навигационных условиях.
Известен по патенту РФ на изобретение №2410282 «Авторулевой судна», МПК В63В 49/00, опубл. 27.01.2011 г.
Изобретение относится к области судового приборостроения и может быть использовано при проектировании адаптивных авторулевых на судах различных классов. Устройство содержит приемоиндикатор спутниковых навигационных систем, электронную картографическую навигационно-информационную систему, авторулевой, гирокомпас, рулевую машину. В состав устройства дополнительно введен адаптивный вычислитель бокового отклонения судна от заданной траектории движения. Достигается автоматизированное определение и учет допустимого бокового отклонения судна от заданной траектории.
Известен по патенту РФ на изобретение №2491509 «Устройство для формирования траектории перевода судна на новый курс», МПК G01D 1/00, В63Н 25/00, опубл. 27.08.2013
Изобретение относится к области судовождения, в частности к системам автоматического управления движением судна. Техническим результатом является повышение безопасности изменения направления движения судна за счет сохранения устойчивости. Технический результат достигается за счет устройства для формирования траектории перевода судна на новый курс, которое содержит вычислитель траектории перевода судна на новый курс с возможностью вычисления двумерных коэффициентов полиномиальной кривой, являющейся траекторией перехода судна на новый курс, выход которого предназначен для подачи задающего сигнала судоводителю или авторулевому, вычислитель минимального радиуса кривизны, датчики продольной скорости, координат центра масс и путевого угла, задатчик угла изменения курса, задатчик абсолютной величины максимально допустимого сигнала управления, вычислитель граничных параметров перевода судна на новый курс; вычислитель траектории перевода судна на новый курс выполнен с возможностью вычисления такой траектории, что движение по ней выполняется при абсолютной величине сигнала управления, не превышающего максимально допустимого.
Известен по патенту РФ №2225314 «Способ определения динамических характеристик движения судов», МПК В63В 9/02, опубл. 1010.2002.
м
м
c
с
c
м
с
м
3,5
4,5
Изобретение относится к судостроению и касается технологии получения динамических характеристик движения судов на стадии проектирования. Способ определения динамических характеристик движения судна на волнении в опытовых бассейнах состоит в использовании геометрически подобной, но динамически не подобной модели судна с известными массово-инерционными характеристиками. По характеристикам модели и ее кинематическим реакциям при испытаниях определяют импульс силы S модели судна и импульс момента силы М. Полученные импульсы переводят с помощью геометрического подобия в импульс силы S для судна и импульс момента силы М для судна соответственно по формулам S=mS и М=mМ, где m - масштаб натурного судна по отношению к его модели. Затем для определения динамических реакций судна рассматривают колебательную систему из масс, жесткостей и демпферов судна, соответствующих рассматриваемым колебаниям, и путем расчета этой системы на действия импульсов силы и момента силы определяют все необходимые реакции судна при движении на волнении. Технический результат реализации изобретения заключается в точном определении динамических характеристик движения судна, в возможности их определения на моделях, на которых прежде определяли только статические характеристики, и в упрощении определения динамических характеристик движения судна путем исключения создания специальных динамически подобных (но упрощенных) моделей и их испытаний.
Известен по патенту РФ на изобретение №2535777 «Система идентификации гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна», В63Н 25/04, G06G 7/70, опубл. 20.12.2014
Изобретение относится к области судостроения, а именно к области автоматического управления движением судов. Система идентификации гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна содержит рулевой привод, датчики: угловой скорости, курса судна, угла перекладки руля, боковой скорости, скорости хода судна, углового ускорения и бокового ускорения, блок задания маневра идентификации, два блока суммирования, блок памяти, блок сравнения, десять сумматоров и десять множителей. Достигается высокая точность математической модели движения судна, высокое качество автоматического управления движением, повышенная безопасность проводки судна в узкостях.
Для всех перечисленных аналогов характерен один недостаток - технические решения не учитывают фактических (кинематических и динамических) параметров движения судна, которые могут изменяться в зависимости от реальной обстановки в районе движения (глубина под килем, штормовая погода, смещение груза, нарушение МПССМ другими судами в данном районе).
В качестве прототипа принят «Способ автоматического управления курсом судна и система авторулевого для реализации способа» по патенту РФ №2282884, МПК G05D 1/02, опубл. 27.08.2006 г.
Изобретение по патенту-прототипу относится к способам и устройствам автоматического управления курсом судна, в частности к системам судовых авторулевых. Согласно этому способу автоматического управления курсом судна задают требуемый курс судна, определяют величину курсового отклонения, по которому формируют сигнал управления рулевым приводом, а далее идентифицируют математическую модель судна по величине угла закладки руля и действительному курсу судна. На базе идентифицированной математической модели судна оптимизируют параметры, необходимые для формирования сигнала управления рулевым устройством, причем сигнал управления рулевым устройством формируют также по скорости курсового отклонения и накопленной величине курсового отклонения. Сигнал управления рулевым устройством формируют с помощью ПИД -регулятора, выполненного в виде микропроцессорной станции. В качестве математической модели судна используют нелинейную модель с постоянными времени, зависящими от условий эксплуатации судна.
Недостаток прототипа - отсутствуют данные о функциональной либо табличной зависимости расстояния от положения безэкипажного судна применительно к координатам точки начала маневра, отсутствуют данные о сходимости заданных и исполняемых траекторий безэкипажного судна, что позволяет сделать вывод о недостаточно высокой точности проводки судна.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности автоматической проводки судна.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается способ автоматической проводки судна, согласно которому выполняется сбор и анализ кинематических параметров судна, расчет отклонений от заданных курса и траектории, последовательное переключение плеч траектории, по которым производится управление, расчет управляющего воздействия в соответствии с расчетными и полученными кинематическими и навигационными данными судна, производят маневрирование судном посредством управляющих воздействий на судно, а также идентифицируют математическую модель движения судна, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что расчет управляющего воздействия производится авторулевым, представленным иерархически организованными ПИД-регулятором по курсу и ПИ-регулятором по траектории в соответствии с выражениями:
p
где K,K - курсы исполняемый и заданный;
χ
K - поправка к заданному курсу за отклонение от траектории;
pr
in
d
pr
in
a, a, a, b, b - коэффициенты;
ω - угловая скорость;
χ - отклонение от траектории;
p
δ - заданный угол перекладки руля,
χ
χ
p
поправка к заданному курсу за отклонение от траектории K, вырабатываемая ПИ - регулятором по траектории, является аргументом ПИД - регулятора по курсу, который вырабатывает управляющее воздействие на перо руля судна, при этом поправка K к заданному курсу K за отклонение χ от траектории не превышает угла, при повороте на который судно будет направлено по кратчайшему расстоянию в ближайшую точку до текущего плеча траектории, независимо от величины отклонения χ от траектории, как бы велико оно ни было, при этом момент начала маневра по переходу на следующее плечо траектории определяется достижением судна расстояния S до следующего плеча траектории, которое рассчитывается в зависимости от величины угла поворота и независимо от текущего отклонения от курса или траектории по формуле:
где S - дистанция до плеча траектории;
ΔK - угол поворота,
i
i+1
кроме того, управление по следующему плечу траектории начинается, когда отклонение χ судном от текущего плеча траектории превышает расстояние χ от следующего плеча траектории, то есть когда выполняется неравенство:
где χ - отклонение от текущего плеча траектории;
i - индекс текущего плеча траектории,
идентификация математической модели движения судна осуществляется во взаимосвязи угловой и поступательной скоростей судна и производится в соответствии с выражениями:
1, 2
где Τ - постоянные времени модели;
ω, υ - угловая и продольная скорости судна;
δ - угол перекладки руля;
n - частота вращения винта;
1, 2, 3
k - коэффициенты модели.
pr
in
d
pr
in
Графики переходных процессов судна строятся в режиме реального времени с помощью инструментов МАТЛАБ и выводятся на экран, при этом графический интерфейс позволяет визуально отслеживать исполняемую траекторию судна и ее отклонение χ от заданной, позволяет визуально отслеживать характер автоматического управления. Кроме того, используют ручную форму настройки авторулевого в режиме реального времени путем ввода коэффициентов a, a, a, b, b (формула 1) в соответствующие поля графического интерфейса, ручное переключение плеч траектории.
Техническим результатом является установление момента времени начала маневра по переходу с текущего плеча траектории на следующее, а также получение возможности определения параметров выбранной математической модели судна и настройки параметров иерархически организованных ПИД - регулятор курса и ПИ - регулятор траектории судна.
Технический результат достигается построением автоматической системы управления, учитывающей зависимость расстояния от положения судна до точки поворота, на котором необходимо начинать маневр, от угла поворота и текущих кинематических характеристик судна, по которой задают управляющее воздействие на судно, при этом принимается к учету то, что, как бы ни было велико отклонение от траектории, величина поправки к заданному курсу за отклонение от траектории не превышает угла, при повороте на который, судно будет направлено в кратчайшую точку до текущего плеча траектории.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Установлена математическая зависимость расстояния от положения судна до следующего плеча траектории, на котором необходимо начинать маневр, от угла поворота и текущих кинематических характеристик судна.
Синтез обобщенного регулятора, представляющего собой иерархически организованные ПИД-регулятор курса и ПИ-регулятор траектории судна, дает возможность его гибкой настройки в зависимости от характера автоматического движения посредством интерфейса индикации и управления судном.
Выполняется идентификация математической модели движения судна в процессе маневрирования по выражениям (4), обеспечивающим наибольшую точность.
Установлена функциональная зависимость расстояния от положения судна до точки поворота на котором необходимо начинать маневр по переходу на следующее плечо траектории, заданной прямыми линиями от угла поворота между диаметральной плоскостью судна и следующим заданным курсом судна и текущих кинематических характеристик судна.
где Χ, ΔK - вектор состояния судна, угол поворота.
Эмпирически определена зависимость, показавшая хорошие результаты на маневровых испытаниях:
Таким образом, по достижении судном дистанции (2) начинается управление по следующему плечу траектории независимо от текущего отклонения от курса или траектории. Поэтому в качестве еще одного условия, обуславливающего переход на следующее плечо траектории, предлагается неравенство:
где χ - отклонение от текущего плеча траектории;
i - индекс текущего плеча траектории.
Это обеспечивает автоматический переход на следующее плечо траектории, даже когда условие (2) недостижимо ввиду сильных отклонений от траектории и выходить обратно на текущее плечо траектории нецелесообразно.
В общем случае закон управления предлагается рассматривать в виде:
p
где K, K - курсы исполняемый и заданный;
χ
pr
in
d
pr
in
ΔΚ - поправка к заданному курсу за отклонение от траектории; a, a, a, b, b - коэффициенты;
ω - угловая скорость;
χ - отклонение от траектории;
ρ
δ - заданный угол перекладки руля,
При этом учитывается, что как бы ни было велико отклонение от траектории, величина поправки к заданному курсу за отклонение от траектории не превышает угла, при повороте на который, судно будет направлено в кратчайшую точку до текущего плеча траектории.
χ
Регулятор представляет собой два иерархически организованных ПИД-регулятором по курсу и ПИ-регулятором по траектории и отклонению от траектории соответственно, при этом поправка к заданному курсу за отклонение от траектории ΔK, вырабатываемая ПИ - регулятором по траектории, является аргументом ПИД - регулятора по курсу.
Выбор в качестве эталонной математической модели идентификации взаимосвязанной модели (4) обусловлен следующим.
При ступенчатой перекладке руля возникает гребень перерегулирования угловой скорости, прежде чем она примет установившееся значение. Значения установившихся угловых скоростей не пропорциональны вызывающим их углам перекладки руля. Первый факт говорит о том, что порядок модели должен быть не ниже второго. Второй факт указывает на то, что использование стандартных моделей Номото как первого, так и второго порядков в качестве эталонных невозможно, т.к. они требуют линейной зависимости установившихся значений угловых скоростей от вызывающих их перекладок руля. Исходя из перечисленных обстоятельств предлагается в качестве эталонной модели идентификации использовать взаимосвязанную модель для угловой и поступательной скоростей судна (4), учитывающую в частности влияние падения поступательной скорости на управляемость судна.
Временные ряды кинематических данных модели доступны для анализа в режиме онлайн. Графики переходных процессов судна строятся в режиме реального времени с помощью инструментов МАТЛАБ и выводятся на экран, при этом графический интерфейс позволяет визуально отслеживать исполняемую траекторию судна и ее отклонение χ от заданной, позволяет производить адаптацию, идентификацию и программное управление судном в режиме реального времени.
pr
in
d
pr
in
Использование ручной формы настройки авторулевого в режиме реального времени путем ввода коэффициентов a, a, a, b, b (формула 1) в соответствующие поля графического интерфейса, ручное переключение плеч траектории, дает возможность изучения работы авторулевого, это значит, что характер управления можно гибко настраивать, меняя коэффициенты выражения (1). Видя характер автоуправления (как движется судно: резко, плавно, вписывается в повороты или нет) меняем коэффициенты регулятора, добиваясь его оптимального характера по заданным критериям.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
на фиг.1 - Принципиальная схема способа
на фиг.2 - Элементы траектории
на фиг.3 - Заданная и исполняемая траектории судна
на фиг.4 - Управляющие воздействия в зависимости от отклонений
на фиг.5 - Кинематические параметры ММПО
на фиг.6 - Интерфейс управления и индикации
Предложенный способ автоматического регулирования работает следующим образом.
Способ был опробован в опытовом бассейне. В качестве испытательной модели судна был использован малогабаритный морской подвижной объект - ММПО. Применение иерархически организованных ПИД-регулятора по курсу и ПИ-регулятора совместно с условиями переключения плеч траектории (2), (3) при натурных испытаниях отражено на фиг.3-5. При передаче команд перекладки на исполнение сервоприводом пера руля значения углов перекладки более 35 градусов каждого бортов принимаются равными 35 градусам соответственно.
По достижении судном дистанции  начинается управление по следующему плечу траектории, независимо от текущего отклонения от курса или траектории (фиг.2). Поэтому в качестве еще одного условия, обуславливающего переход на следующее плечо траектории, предлагается неравенство:
где χ - отклонение от текущего плеча траектории;
i - индекс текущего плеча траектории.
Это обеспечит автоматический переход на следующее плечо траектории, даже когда условие (1) недостижимо ввиду сильных отклонений от траектории и выходить обратно на текущее плечо траектории не целесообразно.
Маневрирование ММПО при натурных испытаниях происходило в следующем порядке.
ММПО начал движение в точке 1 фиг.3. Отклонение по курсу составило более 90 градусов. До достижения первой точки (точка 2 на фиг.3) заданной траектории отклонение по траектории не учитывается регулятором. ММПО совершил первый поворот по заданной траектории (точка 3 на фиг.3) с минимальным отклонением, допустив небольшое перерегулирование. Второй поворот (точка 4 на фиг.3) ввиду большого угла, поворота начался заблаговременно, выход на следующее плечо выполнен с небольшим отклонением и перерегулированием. В точке 5 на фиг.3 ММПО запоздал с набором угловой скорости, т.к. сказалось локально действующее течение, выход на следующее плечо выполнен без отклонений и перерегулирования. По достижению конечной точки траектории ММПО застопорил двигатель, переложил руль прямо и лег в дрейф (точка 6 на фиг.3) согласно заложенной программе. Программа может быть изменена на полное гашение продольной скорости работой на задний ход по достижении конечной точки.
На фиг.4 показана работа регулятора по выработке управляющего воздействия в зависимости от отклонений от курса и траектории. Можно заметить периодический характер перекладок руля, что говорит о недостаточном качестве настройки коэффициентов, однако отклонения по всем управляемым параметрам минимизировались на всем протяжении выполняемой траектории.
На фиг.5 показаны кинематические параметры ММПО в процессе маневрирования. Видно, что угловая скорость подвержена зашумлению внешней средой и выбросами датчика, поэтому применялась фильтрация данных скользящим средним по трем значениям, что позволило минимизировать перекладки пера руля и сгладить их характер.
Интерфейс управления и индикации ММПО, учитывающий возможность использования моделей с двумя винторулевыми комплексами, показан на фиг.6
Как видно из фиг.3, 4, 5 предложенный регулятор успешно справился с заданной траекторией, несмотря на существенные (порядка 80 градусов) углы поворота. Есть необходимость в дальнейших экспериментах для настройки коэффициентов регулятора, адаптации, фильтрации скользящим средним в зависимости от характера движения, оснащения ММПО подруливающим устройством для динамического удержания позиции при достижении конечной или промежуточной точки траектории, уточнения математической модели ММПО. Дальнейшие исследования предполагают возможность создания тренажерного центра с управляемыми моделями судов в ФГБОУ ВО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» для отработки навыков и приобретения соответствующих компетенций внешних капитанов безэкипажных (автономных) морских судов.