Система автоматического управления движением судна

Авторы патента:

Маклаев Владимир Анатольевич (RU)

Васильев Константин Константинович (RU)

Павлыгин Эдуард Дмитриевич (RU)

Маттис Алексей Валерьевич (RU)

G05D1/02 - Системы управления или регулирования неэлектрических величин (для непрерывного литья металлов B22D 11/16; клапаны как таковые F16K; индикация неэлектрических переменных величин см. в соответствующих подклассах класса G01; регулирование электрических и магнитных переменных величин G05F)

B63H25/00 - Движители, воздействующие непосредственно на воду (реактивные движители B63H 11/00, крепление гребных винтов на валах B63H 23/34)

Владельцы патента RU 2658469:

Федеральный научно-производственный центр акционерное общество "Научно-производственное объединение "Марс" (RU)

Изобретение относится к области автоматического управления движением судов при их динамическом позиционировании при решении задач поиска и обследования подводных объектов, характеризующихся частой сменой точек позиционирования. В систему автоматического управления движением (САУД) судна вводят блок анализа режима движения, который выполнен с возможностью определения текущего режима динамического позиционирования судна - «следование в позицию» либо «удержание позиции», а САУД в целом - с возможностью использования собственного закона регулирования в каждом режиме динамического позиционирования. Обеспечивается возможность автоматического выхода в заданную позицию с ее удержанием при частой смене точек позиционирования 1 ил.

Известны системы и комплексы (Авт. св. СССР №583032, №1308040; Пат. РФ №107124, №114451, №138640), в которых на основе информации с датчиков линейных перемещений судна относительно заданной точки дна и датчика курса судна вырабатывают командные сигналы на исполнительные средства судна (главные движители, подруливающие устройства, движительно-рулевые колонки и т.п.) для создания управляющих сил и момента, противодействующих гидродинамическим и аэродинамическим воздействиям на судно ветроволновых возмущений и морского течения.

Указанные системы и комплексы применяются в случаях, когда точка позиционирования не изменяется достаточно длительное время, например при буровых работах и спасательных операциях.

В то же время актуальны задачи поиска и обследования подводных объектов, характеризующиеся частой сменой точек позиционирования, например, с целью обследования обнаруженного объекта с разных ракурсов.

Недостатком указанных аналогов является отсутствие возможности многократного изменения точки позиционирования и выхода в нее в автоматическом режиме.

Известна система автоматического управления движением судна (Пат. РФ №2381140), принятая за прототип, содержащая блок формирования сигналов управления, блок коррекции параметров системы автоматического управления движением судна, задатчик курса и координат позиционирования, сумматор и приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом задатчика курса и координат позиционирования, а выход - с входом блока формирования сигналов управления, входы блока коррекции параметров системы автоматического управления движением судна соединены с выходами задатчика курса и координат позиционирования и приемоиндикатора спутниковой навигационной системы, а выход - с входом блока формирования сигналов управления, при этом блок коррекции параметров системы автоматического управления движением судна выполнен с возможностью устранения рассогласований по курсу и по координатам посредством задания колец дальности от точки позиционирования с определением постоянной времени системы автоматического управления движением судна в зависимости от положения центра масс судна относительно этих колец дальности.

Недостатки аналогов присущи и прототипу.

Технический результат заключается в обеспечении возможности автоматического выхода в заданную позицию с ее удержанием при частой смене точек позиционирования.

Технический результат достигается за счет того, что в систему автоматического управления движением (САУД) судна, содержащую навигационную систему, задатчик курса и координат позиционирования, сумматор, блок формирования сигналов управления, блок коррекции параметров управления, в которой первые выходы навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования соединены с первым и вторым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом блока формирования сигналов управления, входы блока коррекции параметров управления соединены со вторыми выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен со вторым входом блока формирования сигналов управления, выход которого является выходом системы, дополнительно вводят блок анализа режима движения, входы которого соединены с третьими выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен с дополнительным входом блока формирования сигналов управления, при этом блок анализа режима движения выполнен с возможностью определения текущего режима динамического позиционирования судна - «следование в позицию» либо «удержание позиции», а система автоматического управления движением судна в целом - с возможностью использования собственного закона регулирования в каждом режиме динамического позиционирования.

Изобретение поясняется структурной схемой, представленной на чертеже, где

1 - навигационная система;

2 - задатчик курса и координат позиционирования;

3 - сумматор;

4 - блок формирования сигналов управления;

5 - блок анализа режима движения;

6 - блок коррекции параметров управления.

Динамическое позиционирование судна при изменении позиции выполняют в два этапа: на первом этапе выполняют маневрирование судна для выхода в заданную точку позиционирования заданным курсом и предварительную стабилизацию судна в окрестностях точки позиционирования с близкой к нулю скоростью (режим САУД «следование в позицию»), а на втором этапе - устранение статических ошибок регулирования по курсу и координатам, вызванных ветро-волновыми возмущениями и морским течением, и окончательную стабилизацию судна в заданной точке (режим САУД «удержание позиции»).

Работа системы автоматического управления движением судна при динамическом позиционировании осуществляется следующим образом.

На сумматор САУД судна 3 поступают заданные курс и координаты с задатчика курса и координат позиционирования 2 вместе с курсом и координатами от навигационной системы 1, после сумматора 3 сигналы рассогласования по курсу и координатам поступают в блок формирования сигналов управления 4, выход которого является выходом системы.

Данные от навигационной системы 1 и задатчика курса и координат позиционирования 2 также поступают в блок анализа режима движения 5 и в блок коррекции параметров управления 6.

Блок анализа режима движения 5 определяет текущий режим динамического позиционирования - «следование в позицию» либо «удержание позиции» и в момент изменения режима выдает соответствующий сигнал в блок формирования сигналов управления 4 с целью формирования им собственного закона регулирования для каждого режима.

Блок формирования сигналов управления 4 представляет собой пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор и содержит три раздельных канала продольной, поперечной и курсовой стабилизации.

Выходной сигнал регулятора по каждому каналу содержит три составляющие и определяется по формуле:

где K_p, K_i, K_d - коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора соответственно, , K_d=T_d, где T_i,T_d - постоянные интегрирования и дифференцирования САУД;

e(t) - рассогласование регулируемого параметра.

При функционировании САУД в режиме «следование в позицию» интегрирующая составляющая не учитывается. При функционировании САУД в режиме «удержание позиции» учитываются все три составляющие закона регулирования.

Блок коррекции параметров управления 6 функционирует в режиме САУД «удержание позиции» и выполняет адаптацию САУД к изменяющимся внешним ветро-волновым возмущениям и течению за счет выдачи в блок формирования сигналов управления 4 сигналов на изменение постоянных интегрирования T_i и дифференцирования T_d САУД, например, как реализовано в прототипе (Пат. РФ №2381140).

Рассмотрим функционирование САУД при изменении точки позиционирования и курса судна.

После ввода оператором в задатчик курса и координат позиционирования 2 заданных точки позиционирования и курса судна блок анализа режима движения 5 определяет, что расстояние до точки позиционирования превысило критическую величину D_max и выдает в блок формирования сигналов управления 4 сигнал о переводе САУД из режима «удержание позиции» в режим «следование в позицию».

В режиме «следование в позицию» ПИД регуляторы блока формирования сигналов управления 4 перестают учитывать интегральные составляющие и функционируют как пропорционально-дифференцирующие регуляторы. Благодаря этому уменьшается время переходного процесса, однако появляется статическая ошибка регулирования по курсу и координатам, вызванная неучтенными ветро-волновыми возмущениями и течением.

После завершения переходного процесса блок анализа режима движения 5 выдает в блок формирования сигналов управления 4 сигнал о переводе САУД из режима «следование в позицию» в режим «удержание позиции», при этом блок коррекции параметров управления 6 на основании данных от навигационной системы 1 и задатчика курса и координат позиционирования 2 выполняет адаптацию САУД к изменяющимся внешним ветроволновым возмущениям и течению за счет выдачи в блок формирования сигналов управления 4 сигналов на изменение постоянных интегрирования T_i и дифференцирования T_d САУД, например, как реализовано в прототипе (Пат. РФ №2381140).

Для определения момента завершения переходного процесса в блоке анализа режима движения 5 для каждого из трех каналов управления рассчитываются средние по модулю значения скорости изменения регулируемого параметра за время усреднения Т_ср. Критерием завершения переходного процесса является снижение средних значений регулируемых параметров до минимальных значений одновременно во всех каналах управления.

Одновременно с выдачей сигнала в блок формирования сигналов управления 4 о переводе САУД в режим «удержание позиции» в блоке анализа режима движения 5 рассчитывается дистанция до точки позиционирования D, представляющая собой статическую ошибку регулирования в каналах управления линейным перемещением. В зависимости от значения дистанции делается вывод об интенсивности возмущающих воздействий и рассчитываются постоянные интегрирования для каналов продольной и поперечной стабилизации по формулам:

, ,

где , - постоянные интегрирования для наихудших условий функционирования САУД.

Параметры T_cp, D_max, , являются настраиваемыми и определяются экспериментально. Настройка САУД выполняется в условиях наибольших ветро-волновых возмущений и течения, отрабатываемых исполнительными средствами судна. Время усреднения T_cp определяется в зависимости от инерционности судна как объекта управления и составляет, как правило, от 30 секунд до нескольких минут. Значение критической дистанции D_max определяется как расстояние до заданной точки позиционирования (статическая ошибка регулирования) в момент перехода от этапа «следование в позицию» к этапу «удержание позиции». Значения , подбираются экспериментально для обеспечения требуемого качества управления в условиях наибольших ветро-волновых возмущений и течения.

Система автоматического управления движением судна может быть реализована с использованием промышленных средств вычислительной техники. В качестве датчиков линейного перемещения судна могут быть использованы спутниковые или гидроакустические навигационные системы, в качестве датчиков курса - инерциальные навигационные системы, гирокомпасы или другие.

Система автоматического управления движением судна, содержащая навигационную систему, задатчик курса и координат позиционирования, сумматор, блок формирования сигналов управления, блок коррекции параметров управления, в которой первые выходы навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с первым входом блока формирования сигналов управления, входы блока коррекции параметров управления соединены со вторыми выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен со вторым входом блока формирования сигналов управления, выход которого является выходом системы, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введен блок анализа режима движения, входы которого соединены с третьими выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен с дополнительным входом блока формирования сигналов управления, при этом блок анализа режима движения выполнен с возможностью определения текущего режима динамического позиционирования судна - «следование в позицию» либо «удержание позиции», а система в целом - с возможностью использования собственного закона регулирования в каждом режиме динамического позиционирования.

Изобретение относится к области подводного судостроения, в частности к способам и системам управления дифферентом буксируемых подводных объектов. Предложен способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта 1 с узлом крепления гибкой связи 3 в верхней части подводного объекта, заключающийся в том, что для выравнивания положения подводного объекта в носовой части буксируемого подводного объекта горизонтально располагают вал 2 с заданной площадью с возможностью изменения угловой скорости вращения в зависимости от скорости буксировки, при этом в погруженном состоянии осуществляют компенсирование изменений кабрирующего момента при изменении скорости буксировки с помощью гидродинамических сил, возникающих при обтекании вращающегося вала 2 и направленных перпендикулярно к потоку жидкости, которые направляют в сторону, противоположную направлению кабрирующего момента, а угловую скорость вращения вала изменяют в соответствии с изменением скорости буксировки.

Способ аварийной посадки квадрокоптера // 2657659

Изобретение относится к области сверхлегкой авиации, а именно к летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки («летающим мотоциклам»). Техническим результатом изобретения является: обеспечение безопасности полета квадрокоптера путем стабилизации полета квадрокоптера по горизонтали при возникновении аварийной (нештатной) ситуации.

Система удалённого наблюдения и управления беспилотными летательными аппаратами // 2657164

Система удаленного контроля и управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) содержит сеть станций организации и управления, контрольный центр. Станция организации и управления содержит камеру кругового обзора, радиочастотный передатчик, систему обработки и передачи информации, блок стационарного питания, блок альтернативного питания.

Способ и устройство для безопасного вождения // 2657108

Изобретение относится к электронным управляющим устройствам транспортных средств. Способ безопасного вождения включает получение данных о передвижении текущего пользователя самобалансирующегося транспортного средства и сравнение этих данных о передвижении с данными о передвижении, соответствующими предварительно установленному уровню пользователя.

Интегрированная система резервных приборов // 2656954

Интегрированная система резервных приборов выполнена в виде отдельного блока, содержит датчики полного и статического давления, устройство обработки и преобразования сигналов, вычислитель, модуль пространственной ориентации, устройство управления режимами работы, магнитный зонд, жидкокристаллический индикатор, креноскоп, фотодатчик, устройство компенсации систематической составляющей смещения нуля инерциальных датчиков модуля пространственной ориентации, устройство списания девиационной погрешности с памятью, встроенную систему контроля, устройство анализа, устройство формирования изображения графика девиационных поправок, соединенных определенным образом.

Способ многопараметрического автоматизированного контроля технического состояния беспилотных транспортных средств // 2655564

Изобретение относится к способу многопараметрического автоматизированного контроля технического состояния беспилотных транспортных средств (БТС). Способ заключается в том, что предварительно задают совокупность контролируемых параметров определенным образом, измеряют и запоминают контролируемые параметры, определяют характеристики состояния БТС в процессе его функционирования, оценивают остаточный ресурс и предотказное состояние определенным образом, документируют результаты, принимают решение о продлении или окончании эксплуатации БТС в случае достижения значения критического параметра.

Система и способ дистанционного наблюдения за транспортными средствами // 2654502

Изобретение относится к дистанционному мониторингу транспортных средств. Техническим результатом является усовершенствование процесса определения местоположения и отслеживания транспортного средства.

Способ управления беспилотным планирующим летательным аппаратом // 2654238

Изобретение относится к способу управления планирующим беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). Для управления БПЛА в каждом цикле наведения на каждую опорную точку решают краевую задачу наведения в сопровождающей системе координат с началом на текущем радиус-векторе центра масс БПЛА на высоте, равной высоте очередной опорной точки траектории, преобразуют полученные компоненты требуемого ускорения в скоростную и полускоростную системы координат, определяют требуемые значения угла аэродинамического крена и угла атаки.

Способ автономной ориентации подвижных объектов // 2653967

Изобретение относится к способу автономной ориентации подвижного объекта. Для автономной ориентации подвижного объекта измеряют проекции векторов напряженности результирующего магнитного поля трехосным блоком акселерометров, кажущееся ускорение объекта трехосным блоком акселерометров, абсолютную угловую скорость вращения объекта трехосным блоком гироскопов, выполняют предварительную метрологическую калибровку магнитометров, акселерометров и гироскопов, идентификацию и учет параметров внутренних и внешних помех объекта, алгоритмическую обработку сигналов магнитометров, акселерометров и гироскопов, коррекцию, учет относительных угловых скоростей вращения и редукцию показаний магнитометров, акселерометров и гироскопов, формируют информацию о совокупности базисов векторов геофизических полей и дополнительных векторов в неподвижном и связанном трехгранниках, вычисляют оценки направляющих косинусов и углов ориентации объекта в условиях функциональной избыточности информации, оценки угловых скоростей вращения объекта.

Система предупреждения сваливания // 2653414

Система предупреждения сваливания содержит датчик угла атаки, средства оповещения, два датчика местных углов атаки, установленные друг от друга на расстоянии не менее 60 % полного размаха крыла, датчики положения элеронов или датчик положения органа управления в поперечном канале, блок управления.

Устройство повышения надежности ходовой части водного судна // 2617889

Устройство относится к области судостроения, в частности ходовой части водного судна, и может быть использовано для повышения эффективности его ходовых качеств. Устройство ходовой части водного судна содержит основной вал с гребным винтом, и снабжено по крайней мере одним дополнительным валом с гребным винтом на нем, соосно основному валу, причем с переменной и отличающейся от основного вала скоростью вращения.

Способ управления движущимся судном // 2615849

Изобретение относится к способу управления движущимся судном. Для управления движущимся судном размещают антенны спутниковой навигационной системы в определенных точках судна, определяют непрерывно их координаты, а также поперечные и продольные отклонения от определенной оси, вырабатывают сигналы управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса по определенному закону, формируют вручную или автоматически сигнал на изменение положения начала координатной системы, значения координат которой определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования, формируют сигнал на изменение кинематических параметров движения судна с учетом текущих и заданных их значений определенным образом.

Способ управления движущимся судном // 2615848

Изобретение относится к способу управления движущимся судном. Для управления движущимся судном определяют непрерывно координаты двух максимально удаленных друг от друга точек в пределах контура судна, одна из которых расположена к носу судна, а другая - к его корме, определяют поперечные и продольные отклонения от заданной оси, вырабатывают сигналы управления по определенному закону для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса, меняют положение и ориентацию выбранной координатной системы с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции, прогнозируют возможность выполнения маневра на базе математической модели судна с учетом его динамических свойств, влияния внешних факторов, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса, требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, принимают решение о дальнейшем управлении движении судна или прекращении маневра.

Способ управления движением буксирной системы // 2615846

Изобретение относится к способу управления движением буксирной системы. Для управления движением буксирной системы определяют непрерывно значение координат в определенных точках в пределах контура буксирующего судна, вычисляют поперечные смещения от заданной линии положения диаметральной плоскости, вырабатывают сигнал управления по определенному закону для отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксирующего судна, используют определенную координатную систему, меняют ее положение в зависимости от особенностей маневрирования судна для обеспечения вывода и удержания управляемого судна в заданном положении или на заданной траектории движения, формируют два сигнала управления определенным образом в зависимости от положения точек относительно выбранной оси, формируют сигнал управления на автоматическую буксирную лебедку в зависимости от длины буксирного троса.

V-образно спаренный шнековый движитель для плавсредств (варианты) // 2613472

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано на плавсредствах, как на надводных судах, так и на подводных судах. V-образно спаренный шнековый движитель для плавсредств в варианте надводного судна содержит в кормовой части на транцевой плите расположенные под углом шнеки, управляемые мотор-редукторами скорости и направления вращения шнеков.

Поворотно-откидная колонка для плавучих средств // 2599857

Изобретение относится к судостроению, а именно к конструкциям поворотно-откидной колонки, предназначенной для установки на катерах и служащей для передачи крутящего момента от двигателя к гребному валу и управления катером.

Способ управления программными движениями судна по траектории // 2596202

Изобретение относится к способу управления движением судна. Для управления программными движениями судна по траектории вычислитель программных движений формирует курс, координаты траектории движения, скорость и ускорение изменения координат, измеряют кинематические параметры движения судна, а именно продольную и поперечную составляющие скорости судна, курс, прямоугольные координаты судна, сформированные и измеренные значения подают на вход системы траекторного управления (СТУ), определяют управляющий сигнал заданного поворота судна, вырабатывают требуемый угол перекладки руля, формируют требуемое значение скорости, которое определяют с учетом программных движений и текущих отклонений, а также разности направлений вектора скорости и истинного курса судна определенным образом, определяют требуемое значение вращения винта для отслеживания заданного скоростного режима движения по траектории.

Корпус судна // 2588177

Изобретение относится к области судостроения и касается морских судов, в частности пассажирских, грузопассажирских, сухогрузов, контейнеровозов, танкеров. Предложен корпус судна, содержащий водонепроницаемую стенку с нанесенной ватерлинией, разделяющей ее на надводную часть и подводную часть, снабженную поворотными створками, соединенными с механизмами поворота, при этом по меньшей мере одна створка имеет полость, заполненную герметичными оболочками, содержащими воздух/газ легче воздуха.

Способ управления движущимся судном // 2553610

Способ управления движущимся судном. При данном способе в пределах контура судна в его диаметральной плоскости (ДП) выбирают на носу и корме судна точки, относительно которых производят непрерывные измерения координат с высокой точностью (±1м) и непрерывно вычисляют смещения этих точек от заданной линии положения ДП.

Способ задания траектории и режимов движения судна // 2550236

Изобретение относится к области судовождения, а именно к системам автоматического управления движением судна. Для задания траектории и режима движения судна представляют сигмоподобные функции с изменяемыми коэффициентами кривизны и задаваемыми выражениями.