Способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера

Способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к водному транспорту и касается управления судном (далее швартующееся судно) при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера по величине поперечных смещений двух точек швартующегося судна, носовой A и кормовой В, от текущего положения траектории сближения с судном партнером (фиг.1).

Известен способ управления движением объекта (судна) при выполнении им сближения с другим подвижным объектом (заявка №2006111031/11) по величинам поперечных смещений расположенных на диаметральной плоскости судна носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения, при котором рассчитывают поперечные смещения этих точек; для вычисления поперечных смещений носовой A и кормовой В точек судна их координаты в неподвижной координатной системе A(Х_0A, Y_0A), В(Х_0B, Y_0B) (фиг.2) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) и с дифференциальными поправками, перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой d_A и кормовой d_B точек судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют, используя заданную точку как объект, с которым происходит сближение судна, и центр тяжести судна; текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна определяют текущее положение траектория сближения в виде прямой линии, соединяющей текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна G, текущие координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной систем рассчитывают по формулам:

где X_0G, Y_0G - координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе;

X_0A, Y_0A - координаты точки А в неподвижной координатной системе;

X_0B, Y_0B - координаты точки В в неподвижной координатной системе;

X_A, X_B - абсцисса носовой и кормовой точки судна соответственно в координатной системе (X, Y), связанной с судном;

X_G - абсцисса центра тяжести судна в координатной системе, связанной с судном,

текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками.

Однако в этом способе управления судном, выполняющим сближение с заданной точкой, есть определенный недостаток, препятствующий использованию его в управлении швартующимся судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера, т.е. при сближении швартующегося судна с судном партнером, так как в алгоритме управления швартующимся судном отсутствуют элементы управления, обеспечивающие условия безопасного выполнения швартовной операции к борту судна партнера.

Условиями безопасного выполнения швартующимся судном швартовной операции к борту судна партнера являются:

1) равенство скоростей швартующегося судна (υ) и судна партнера (υ_n) в конечной стадии их сближения, то есть в момент времени, когда швартующееся судно движется параллельно борту судна партнера на минимальном заданном траверзном расстоянии h от борта судна партнера (фиг.3);

2) равенство курсов швартующегося судна (ψ) и судна партнера (ψ_n) в конечной стадии их сближения (фиг.3);

3) расстояние между бортами швартующегося судна и судна партнера (траверзное расстояние) в конечной стадии их сближения должно иметь определенное с точки зрения взаимной безопасности участвующих в швартовке судов, значение (h) (фиг.3);

4) продольное положение швартующегося судна относительно судна партнера в конечной стадии сближения должно быть фиксированным, то есть расстояние между центром тяжести швартующегося судна (G) и центром тяжести судна партнера (G_n) в неподвижной координатной системе, в направлении продольной оси Х_n координатной системы (Х_n, Y_n), связанной с судном партнером, в конечной стадии их сближения должно иметь определенное заданное значение (m) (фиг.3), причем значение m считается положительным, если центр тяжести швартующегося судна G находится в сторону носа судна партнера относительно положения центра тяжести судна партнера G_n.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в соблюдении условий безопасного выполнения швартовной операции швартующегося судна к борту судна партнера.

Для достижения указанного технического результата в способе управления швартующимся судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера по величинам поперечных смещений расположенных на диаметральной плоскости судна носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения, при котором рассчитывают поперечные смещения этих точек; для вычисления поперечных смещений носовой А и кормовой В точек судна их координаты в неподвижной координатной системе A(X_0A, Y_0A), В(Х_0B, Y_0B) (фиг.2) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) и с дифференциальными поправками, перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой d_A и кормовой d_B точек судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют используя заданную точку как объект, с которым происходит сближение судна, и центр тяжести судна; текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна определяют текущее положение траектории сближения, проходящей через две точки в виде прямой линии, соединяющей текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна G, текущие координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе рассчитывают по формулам (1), текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками, дополнительно определяют с помощью СНС и с дифференциальными поправками координаты носовой А_n(X_0An, Y_0An) и кормовой В_n(X_0Bn, Y_0Bn) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна партнера (фиг.4) в неподвижной координатной системе, рассчитывают:

1) координаты центра тяжести судна партнера G_n(X_0Gn, Y_0Gn) в неподвижной координатной системе по формулам:

где X_0Gn, Y_0Gn - координаты центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе;

X_0An, Y_0An - координаты точки А_n в неподвижной координатной системе;

X_0Bn, Y_0Bn - координаты точки В_n в неподвижной координатной системе;

X_An, X_Bn - абсцисса носовой и кормовой точек судна партнера соответственно в координатной системе (Х_n, Y_n), связанной с судном партнером;

X_Gn - абсцисса центра тяжести судна партнера в координатной системе, связанной с судном партнером;

2) координаты точек расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А_n и В_n соответственно, по формулам:

при этом величина отрезков А_n =В_n =h₀ определяется с помощью зависимости, представленной формулой:

в выражениях (3) и (4) использованы следующие обозначения:

В - ширина швартующегося судна;

В_n - ширина судна партнера;

ψ_n - курс судна партнера, значение курса судна партнера ψ_n рассчитывается с использованием значений координат точек А_n и В_n в неподвижной координатной системе, а именно:

3) координаты проекции центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки (фиг.4):

4) координаты второй заданной точки Р₂(Х_0P2, Y_0P2) (нумерация заданных точек принята по ходу движения швартующегося судна в направлении судна партнера) в неподвижной координатной системе:

5) координаты первой заданной точки P₁(X_0P1, Y_0P1) в неподвижной координатной системе:

где S_T - тормозной путь швартующегося судна при переходе его со скорости υ=υ_н к скорости υ=υ_к=υ_n (υ_н - начальная скорость, то есть скорость швартующегося судна в первой заданной точке Р₁, υ_к - конечная скорость, то есть скорость швартующегося судна во второй заданной точке Р₂, длина тормозного пути равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при переходе его из заданной точки P₁ в заданную точку Р₂.

Наличие полученных указанным способом данных позволяет осуществлять сближение швартующегося судна с судном партнером в два этапа:

I-й этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку P₁ (фиг.5). Текущее положение первой заданной точки P₁(X_0P1, Y_0P1) на текущем положении линии, проходящей через текущее положение точек, текущие координаты которых определяются по формулам (3), определяется величиной отрезка Р₁Р₂, величина которого равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при снижении его текущей скорости ν до значения, равного скорости судна партнера ν_n, в момент выхода швартующегося судна на траверз судна партнера, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р₂, что является выполнением одного из условий безопасной швартовки. Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой d_A и кормовой d_B точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, проходящей через текущее положение центра тяжести швартующегося судна G(X_0G, Y_0G) и текущего положения первой заданной точки

P₁(X_0P1, Y_0P1). Окончание I-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна в первую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P₁.

II-й этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р₂ (фиг.6). Текущее положение второй заданной точки Р₂(X_0P2, Y_0P2) на текущем положении линии, проходящей через точки текущие координаты которых определяются по формулам (3), определяется заданным расстоянием m между центрами тяжести швартующегося судна и судна партнера в конечной стадии швартовки, при этом текущее положение центра тяжести швартующегося судна G (X_0G, Y_0G) определяется формулами (1), а текущее положение центра тяжести судна партнера G_n(X_0Gn, Y_0Gn) - формулами (2). Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой d_A и кормовой d_B точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, в качестве которой используется текущее положение линии, проходящей через точки . Окончание II - го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна во вторую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р2.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:

дополнительно определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками координаты носовой А_n(X_0An, Y_0An) и кормовой В_n(X_0Bn, Y_0Bn) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна партнера в неподвижной координатной системе, рассчитывают:

- координаты центра тяжести судна партнера G_n(X_0Gn, Y_0Gn) в неподвижной координатной системе;

- координаты точек расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А_n и В_n соответственно;

- координаты проекции центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки соответственно;

- координаты второй заданной точки Р₂(X_0P2, Y_0P2) в неподвижной координатной системе;

- координаты первой заданной точки Р₁(X_0P1, Y_0P1) в неподвижной координатной системе.

Сближение швартующегося судна с судном партнером выполняется в два этапа:

I-й этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку P₁.

II-й этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р₂.

Использование предлагаемого алгоритма управления швартующимся судном позволяет соблюсти условия безопасного выполнения швартовной операции швартующегося судна к борту судна партнера, а именно:

- скорости швартующегося судна (υ) и судна партнера (υ_n) в конечной стадии их сближения будут равны;

- курсы швартующегося судна (ψ) и судна партнера (ψ_n) в конечной стадии их сближения будут равны;

- борта швартующихся судов в конечной стадии их сближения будут находиться на установленном безопасном расстоянии h;

- продольное положение швартующегося судна относительно судна партнера в конечной стадии сближения будет соответствовать установленному заранее значению.

Предлагаемый способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера осуществляется следующим образом. В пределах контуров швартующегося судна и судна партнера, в их диаметральных плоскостях выбирают по две точки, одна из которых находится в носу А (швартующееся судно),

A_n(судно партнер), другая - в корме В (швартующееся судно) (фиг.2, фиг.4), В_n (судно партнер) относительно мидель-шпангоута соответствующего судна. Расстояние между точками А и В, А_n и В_n выбирают в зависимости от технической возможности размещения в указанных точках приемных антенн СНС. Чем больше это расстояние, тем качественней работа системы управления движением швартующегося судна, осуществляющего сближение с судном партнером.

Координаты точек А и В, А_{n и} В_n в неподвижной координатной системе определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на суда дифференциальные поправки. Используя значения координат точек швартующегося судна А(Х_0А, Y_0A), В(Х_0В, Y_0B) и судна партнера А_n(Х_0Аn, Y_0An), В_n(Х_0Вn, Y_0Bn) в неподвижной координатной системе, координаты тех же точек в подвижных системах координат, связанных с швартующимся судном А(Х_А, Y_A), В(Х_В, Y_В) и судном партнером Аn(Х_Аn, Y_An), В_n(Х_Вn, Y_Bn), координаты центров тяжести швартующегося судна в связанной с ним подвижной координатной системе G(X_G, Y_G) и судна партнера в связанной с ним подвижной координатной системе G_n(X_0Gn, Y_0Gn), а также значения параметров h и m рассчитывают:

- координаты центра тяжести швартующегося судна G (X_0G, Y_0G) в неподвижной координатной системе по формулам (1);

- координаты центра тяжести судна партнера G_n(X_0Gn, Y_0Gn), в неподвижной координатной системе по формулам (2);

- координаты точек расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А_n и В_n соответственно, по формулам (3), (4), (5);

- координаты проекции центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки по формулам (6);

- координаты второй заданной точки Р₂(X_0P2, Y_0P2) в неподвижной координатной системе по формулам (7);

- координаты первой заданной точки P₁(X_0P1, Y_0P1) в неподвижной координатной системе по формулам (8).

Зная координаты первой заданной точки и координаты центра тяжести швартующегося судна, определяют текущее положение траектории сближения, проходящей через первую заданную точку P₁(X_0P1, Y_0P1) и центр тяжести швартующегося судна G(X_0G, Y_0G). После этого определяют поперечные смещения точек А и В от найденной указанным способом траектории сближения по формулам:

Непрерывно определяемые значения координат точек А и В, А_n и В_n, позволяют непрерывно вычислять координаты центра тяжести швартующегося судна G и первой заданной точки P₁, поперечные смещения d_A и d_в точек А и В швартующегося судна от текущего положения траектории сближения. Причем поперечное смещение рассматриваемой точки относительно текущего положения траектории сближения считается положительным, если она смещается вправо от траектории, и отрицательным, если она смещается влево.

Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля швартующегося судна, по закону:

где k_A, k_B - коэффициенты усиления по перечным смещениям носовой и кормовой точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения. Это положительные величины, причем к_А больше k_в. Угол перекладки руля α считается положительным при его перекладке в сторону правого борта швартующегося судна.

В момент выхода швартующегося судна в первую заданную точку, что соответствует равенству координат центра тяжести швартующегося судна G(X_0G, Y_0G) и координат первой заданной точки P₁(X_0G, Y_0P1) (X_0G=X_0P1; Y_0G=Y_0P1), оно переходит к сближению со второй заданной точкой Р₂, при этом текущее положение траектории сближения соответствует положению линии, проходящей через точки координаты которых рассчитываются непрерывно по формулам (3), (4), (5). Как известно, текущие координаты второй заданной точки Р₂(X_0P2, Y_0P2), лежащей на линии вычисляются непрерывно по формулам (7).

Непрерывно определяемые значения координат точек А и В, А_n и В_n позволяют непрерывно вычислять координаты точек , центра тяжести швартующегося судна G и центра тяжести судна партнера G_n, второй заданной точки Р₂ в неподвижной координатной системе, поперечные смещения d_A и d_B точек А и В швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, которой является линия :

Причем поперечное смещение рассматриваемой точки относительно текущего положения траектории сближения считается положительным, если она смещается вправо от траектории, и отрицательным, если она смещается влево.

Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля швартующегося судна, по закону:

где k_A, k_B - коэффициенты усиления по перечным смещениям носовой и кормовой точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения. Это положительные величины, причем k_А больше k_В. Угол перекладки руля α считается положительным при его перекладке в сторону правого борта швартующегося судна.

Моментом окончания сближения швартующегося судна с судном партнером считается момент выхода швартующегося судна во вторую заданную точку Р₂, что соответствует равенству координат центра тяжести швартующегося судна и второй заданной точки, то есть

Х_0G=Х_0P2, Y_0G=Y_0P2.

В результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата - повышение безопасности управления швартующимся судном и точности выполнения швартовной операции при выполнении ее швартующимся судном к борту судна партнера, находящегося в движении, таким образом, предлагаемый способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».

1. Способ управления швартующимся судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера по величинам поперечных смещений, расположенных на диаметральной плоскости судна, его носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения, при котором рассчитывают поперечные смещения этих точек; для вычисления поперечных смещений носовой А и кормовой В точек судна их координаты в неподвижной координатной системе А(Х_0А, Y_0A), В(Х_0B, Y_0B) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) и с дифференциальными поправками; перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой d_A и кормовой d_B точек судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют используя заданную точку как объект, с которым происходит сближение судна и центр тяжести судна; текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна определяют текущее положение траектории сближения, проходящей через две точки в виде прямой линии, соединяющей текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна G, текущие координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе рассчитывают по формулам:Y_0G=Y_0A-[(Y_0A-Y_0B)·(X_A-X_G)]/(X_A-X_B);X_0G=X_0A-[(X_0A-X_0B)·(X_A-X_G)]/(X_A-X_B);текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками, отличающийся тем, что дополнительно определяют с помощью СНС и с дифференциальными поправками координаты носовой А_n(X_0An, Y_0An) и кормовой В_n(X_0Bn, Y_0Bn) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна партнера в неподвижной координатной системе, рассчитывают:координаты центра тяжести судна партнера G_n(X_0Gn, Y_0Gn) в неподвижной координатной системе по формулам:Y_0Gn=Y_0An-[(Y_0An-Y_0Bn)·(X_An-X_Gn)]/(X_An-X_Bn);X_0Gn=X_0An-[(X_0An-X_0Bn)·(X_An-X_Gn)]/(X_An-X_Bn);где X_0Gn, Y_0Gn - координаты центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе;X_0An, Y_0An - координаты точки А_n в неподвижной координатной системе;X_0Bn, Y_0Bn - координаты точки В_n в неподвижной координатной системе;X_An, X_Bn - абсцисса носовой и кормовой точки судна партнера соответственно, в координатной системе (Х_n, Y_n), связанной с судном партнером;X_Gn - абсцисса центра тяжести судна партнера в координатной системе, связанной с судном партнера;координаты точек расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А_n и В_n соответственно, по формулам:X_A'n=X_An+[h+0,5(B+B_n)]·cosψ_n;Y_A'n=Y_An-[h+0,5(B+B_n)]·sinψ_n;X_B'n=X_Bn+[h+0,5(B+B_n)]·cosψ_n;Y_B'n=Y_Bn-[h+0,5(B+B_n)]·sinψ_n,при этом величина отрезков A_n определяется с помощью зависимости, представленной формулой: h₀=h+0,5(B+B_n), где В - ширина швартующегося судна; В_n - ширина судна партнера; ψ_n - курс судна партнера, значение курса судна партнера ψ_n рассчитывается с использованием значений координат точек A_n и В_n в неподвижной координатной системе, а именно: ψ_n=arctg[(X_0An-X_0Bn)/(Y_0An-Y_0Bn)];координаты проекции центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки координаты второй заданной точки Р₂(Х_0P2, Y_0P2) в неподвижной координатной системе: координаты первой заданной точки P₁(X_0P1, Y_0P1) в неподвижной координатной системе: где S_T - тормозной путь швартующегося судна при переходе его со скорости ν=ν_H к скорости ν=ν_к=ν_n, где ν_н - начальная скорость, то есть скорость швартующегося судна в первой заданной точке P₁, ν_к - конечная скорость, то есть скорость швартующегося судна во второй заданной точке P₂, длина тормозного пути равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при переходе его из заданной точки P₁ в заданную точку P₂; полученные указанным способом данные позволяют осуществлять сближение швартующегося судна с судном партнером в два этапа:I-й этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку P₁, при этом текущее положение первой заданной точки P₁(X_0P1, Y_0P1) на текущем положении линии, проходящей через текущее положение точек определяется величиной отрезка P₁P₂, длина которого равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при снижении его текущей скорости ν до значения равного скорости судна партнера ν_n, в момент выхода швартующегося судна на траверз судна партнера, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р₂; управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой d_A и кормовой d_B точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, проходящей через текущее положение центра тяжести швартующегося судна G(X_0G, Y_0G) и текущего положения первой заданной точки P₁(X_0P1, Y_0P1), окончание I-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна в первую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P₁;II-й этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р₂, при этом текущее положение второй заданной точки Р₂(Х_0P2, Y_0P2) на текущем положении линии, проходящей через точки определяется заданным расстоянием m между центрами тяжести швартующегося судна и судна партнера в конечной стадии швартовки, управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой d_A и кормовой d_B точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, в качестве которой используется текущее положение линии, проходящей через точки окончание II-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна во вторую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P₂.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе швартовной операции непрерывно определяют координаты носовой и кормовой точек судна партнера с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что текущие координаты первой заданной точки и второй заданной точки, для соблюдения условий безопасности швартовной операции, рассчитываются с использованием значений текущих координат носовой А_n(X_0An, Y_0An) и кормовой В_n(X_0Bn, Y_0Bn) точек судна партнера, заданного расстояния между бортами швартующихся судов h и заданного положения швартующегося судна относительно судна партнера в конечной стадии швартовки m, тормозного пути швартующегося судна S_T при переходе его от исходной скорости движения ν к скорости, равной скорости судна партнера ν_n.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сближение швартующегося судна с судном партнером осуществляется в два этапа:I-й этап - сближение с первой заданной точкой;II-й этап - сближение со второй заданной точкой.