ES2329492T3 - Sistema de control automatico de maniobra de naves a motor, metodo relacionado, y nave provista del sistema. - Google Patents
Sistema de control automatico de maniobra de naves a motor, metodo relacionado, y nave provista del sistema. Download PDFInfo
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Abstract
Sistema de control automático de maniobra de naves a motor, que comprende medios de mando seleccionables (1) y medios electrónicos de procesamiento y de control (2, 10, 11, 12, 30, 31, 32, 33, 34, 35) conectados a los medios de mando seleccionables (1), de los que recibe una o más señales de selección de un movimiento y/o una posición de la nave (40) a la que se aplica el sistema, siendo los medios electrónicos de procesamiento y de control apropiados para enviar una o más señales de control a medios accionadores (4) que controlan medios de propulsión y/o maniobra de la nave (40), caracterizado porque los medios electrónicos de procesamiento y de control están conectados además a medios sensores (3) de la nave (40) de los que reciben una o más señales de detección una o más señales de detección, procesando los medios electrónicos de procesamiento y de control dichas una o más señales de detección y dichas una o más señales de selección para generar dichas una o más señales de control para hacer que los medios de propulsión y/o maniobra produzcan un empuje y/o un momento apropiados para hacer que la nave (40) asuma el movimiento y/o la posición seleccionados por los medios de mando seleccionables (1), por lo cual el sistema compensa sustancialmente en tiempo real cualquier perturbación del movimiento y/o la posición seleccionada.
Description
Sistema de control automático de maniobra de
naves a motor, método relacionado, y nave provista del sistema.
La presente invención se refiere a un sistema de
control automático de maniobra de naves a motor que permite, de
manera fiable y eficiente, simplificar el pilotaje de naves de
múltiples motores, particularmente en maniobras dentro de espacios
restringidos como, por ejemplo, pero no exclusivamente, durante las
fases de amarre, fondeo, o reabastecimiento de combustible. En
particular, el sistema es sumamente intuitivo para un usuario que
pilota la nave, y compensa automáticamente los efectos de las
corrientes, el viento y otras posibles perturbaciones externas
sobre el movimiento de la nave, realizando el movimiento requerido o
manteniendo la posición y la orientación de la proa establecidas
por el piloto. Además, el sistema es utilizable por naves provistas
de línea de ejes, motores de popa o motores fueraborda, o incluso
propulsión por chorro de agua, y es aplicable ventajosamente para
modernización incluso a naves ya existentes.
La presente invención se refiere además al
método relacionado de control automático de maniobra, los procesos
de calibración del sistema, los aparatos e instrumentos apropiados
para realizar el método, y las naves a motor provistas de tal
sistema.
En particular, en lo sucesivo, por nave a motor
se quiere decir una nave provista de cualquier medio de propulsión
y/o de maniobra, incluso propulsiones por chorro de agua.
Se sabe que la maniobra de naves de múltiples
motores (o de motor único orientable) en espacios restringidos
conlleva dificultades debido sobre todo a la multiplicidad de mandos
y lo poco intuitivos que son, lo que puede poner al piloto,
especialmente si no es experto, en serios problemas. En cualquier
caso, incluso los pilotos expertos pueden encontrar grandes
dificultades al maniobrar naves en condiciones particulares, como,
por ejemplo, condiciones meteorológicas adversas en las que las
perturbaciones externas poco previsibles pueden dificultar aún más
la maniobra.
Para superar estos problemas, se han
desarrollado algunos sistemas de control para naves basados en el
uso de una palanca de bastón de control (o palanca de mando) u otro
medio de control intuitivo.
La patente de EE.UU. nº 6.511.354 desvela una
única palanca de control con dos grados de libertad. El primer
grado de libertad permite que la palanca sea inclinada hacia delante
y hacia atrás. El mando de palanca manual de engranaje de inversión
está asociado con este movimiento, mando que actúa simultáneamente y
de la misma manera sobre ambos motores de popa con los que está
provista la nave. El segundo grado de libertad permite que la
palanca sea girada sobre su eje. A este mando está asociada una
asimetría entre los motores para promover la rotación de la nave
según la dirección de rotación de la palanca. El funcionamiento del
sistema es controlado por una caja de engranajes electrónica
controlada por el mecanismo de la palanca que controla los dos
motores de popa principales, y posiblemente una hélice de maniobra
de proa, dispuesta según el eje transversal. Además, el sistema de
palanca puede accionar cuatro conmutadores, dos de los cuales están
dispuestos según una dirección transversal, mientras que los otros
dos están dispuestos según una dirección de proa a popa, de manera
que un movimiento de delante a atrás o de derecha a izquierda de la
palanca los hace activarse selectivamente: este sistema controla
preferentemente un sistema de propulsión específico suplementario
para maniobra a baja velocidad.
La patente de EE.UU. nº 6.234.853 desvela un
sistema de control para naves basado sustancialmente en una palanca
de mando que controla una caja de engranajes electrónica que
controla los motores principales y posiblemente los motores de
maniobra. Para realizar las maniobras principales, este sistema
requiere que los motores puedan orientar su empuje, y por lo tanto
el sistema es aplicable sólo a naves provistos de motores de popa o
motores fueraborda. Además, para alcanzar su funcionamiento
completo, el sistema requiere la capacidad de maniobrar la
orientación de los dos motores independientemente uno de otro.
Sin embargo, las soluciones propuestas hasta
ahora adolecen de algunos inconvenientes.
En primer lugar, en los sistemas propuestos,
existe una relación directa y biunívoca entre los movimientos del
control intuitivo, como la palanca de mando, y el ajuste de
dirección y velocidad de los medios de propulsión y de maniobra,
deja al piloto la tarea de compensar los errores del sistema de
control debidos a los efectos de la dinámica de la nave, en
particular debidos a los efectos de la inercia y el casco.
Por otra parte, tales sistemas no tienen en
cuenta los efectos debidos a perturbaciones externas, como el viento
y la corriente.
De todos modos, en los sistemas existentes, no
se considera el problema de la calibración del sistema que depende
de las características de la nave y de los motores.
Además, muchos de los sistemas actuales de ayuda
a la maniobra requieren medios de propulsión específicos, que hacen
a los sistemas muy complicados y caros y no fácilmente aplicables
para modernización a naves ya existentes.
Por último, tales sistemas no incluyen la
función de mantener una posición y/o una actitud y/o una dirección
de avance que sean fijas y seleccionables por el piloto.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención
es proporcionar un sistema de control automático de maniobra de
naves a motor que solucione los problemas anteriormente mencionados,
permitiendo al piloto controlar directamente, de manera intuitiva,
fiable y eficiente, los movimientos y rotaciones de la nave,
liberándole de la necesidad de controlar medios de propulsión y de
maniobra individuales y de tener en cuenta los efectos de la
dinámica de la nave y de las perturbaciones externas.
Todavía es un objeto de la presente invención
proporcionar un sistema tal que simplifique el pilotaje de naves de
múltiples motores en maniobras en espacios restringidos, como, por
ejemplo, pero no exclusivamente, en fases de amarre, fondeo o
reabastecimiento de combustible.
El tema específico de la presente invención es
un sistema de control automático de maniobra de naves a motor, que
comprende medios de mando seleccionables y medios electrónicos de
procesamiento y de control conectados a los medios de mando
seleccionables, de los que recibe una o más señales de selección de
un movimiento y/o una posición de la nave a la que se aplica el
sistema, siendo los medios electrónicos de procesamiento y de
control apropiados para enviar una o más señales de control a medios
accionadores que controlan medios de propulsión y/o maniobra de la
nave, caracterizado porque los medios electrónicos de procesamiento
y de control están conectados además a medios sensores de la nave
de los que reciben una o más señales de detección una o más señales
de detección, procesando los medios electrónicos de procesamiento y
de control dichas una o más señales de detección y dichas una o más
señales de selección para generar dichas una o más señales de
control para hacer que los medios de propulsión y/o maniobra
produzcan un empuje y/o un momento apropiados para hacer que la
nave asuma el movimiento y/o la posición seleccionados por los
medios de mando seleccionables, por lo cual el sistema compensa
sustancialmente en tiempo real cualquier perturbación del movimiento
y/o la posición seleccionada.
Preferentemente según la invención, los medios
electrónicos de procesamiento y de control generan dichas una o más
señales de control para los medios accionadores según una lógica
difusa, que tiene una variable de salida para cada una de dichas una
o más señales de control.
Siempre según la invención, dicha lógica difusa
puede ser de tipo Sugeno.
Todavía según la invención, dicha lógica difusa
puede tener lógica de inferencia basada en el funcionamiento mínimo,
el cálculo del coeficiente de actividad basado en la suma de todas
las activaciones para una salida, y concretización basada en el
método centroide.
Además, según la invención, dicha lógica difusa,
para al menos una variable de entrada o salida, puede usar un
conjunto de funciones de pertenencia que tienen forma idéntica y
uniformemente distribuidas por un intervalo de valores asumibles por
dicha al menos una variable de entrada o salida.
Siempre según la invención, dicha lógica difusa,
para al menos una variable de salida, puede usar un conjunto de
funciones de pertenencia de tipo de instancia única.
Todavía según la invención, dicha lógica difusa,
para al menos una variable de entrada o salida, puede usar un
conjunto de funciones de pertenencia dependiendo de uno o más
primeros parámetros de funcionamiento.
Además, según la invención, el sistema puede
comprender además medios automáticos de determinación del conjunto
de funciones de pertenencia de una o más variables de entrada y/o
salida de dicha lógica difusa.
Siempre según la invención, los medios
electrónicos de procesamiento y de control pueden comprender:
- medios de procesamiento, que procesan dichas
una o más señales de detección y dichas una o más señales de
selección y calculan el valor de dicho empuje y/o el valor de dicho
momento;
- medios generadores de empuje, que reciben
dicho valor de empuje y generan una o más primeras señales
intermedias de control de empuje;
- medios generadores de momento, que reciben
dicho valor de momento y generan una o más segundas señales
intermedias de control de momento; y
- medios generadores de señales de control, que
reciben dichas una o más primeras señales intermedias de control de
empuje y dichas segundas señales intermedias de control de momento y
generan dichas una o más señales de control para los medios
accionadores.
Todavía según la invención, el sistema puede ser
apropiado para funcionar según un primer modo operativo en el que
dichas una o más señales de control son generadas para hacer que los
medios de propulsión y/o maniobra produzcan dicho empuje y/o dicho
momento apropiados para hacer que la nave asuma un movimiento de
traslación y/o un movimiento de rotación seleccionados por los
medios de mando seleccionables.
\newpage
Además, según la invención, en el primer modo
operativo, los medios de procesamiento pueden calcular un versor
1 representativo de la dirección de dicho empuje
basándose en
- un versor \vec{A} representativo de la
dirección de movimiento seleccionada por los medios de mando
seleccionables, y
- un vector \vec{I} representativo de la
velocidad de traslación detectada por los medios sensores,
mediante un control PID (Proporcional, Integral,
Derivado) según la fórmula:
en la que el vector \vec{T}_{E}
viene dado por la
fórmula:
y
donde:
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{B}) y n, y
- TPK, TDK, y TIK y NI_{B} son un primero, un
segundo, un tercero y un cuarto parámetros de ajuste,
calculando los medios de procesamiento el versor
\vec{S}_{1} según la fórmula:
calculando además los medios de
procesamiento la intensidad TH de dicho empuje proporcionalmente a
al menos una de dichas una o más señales de
selección.
\vskip1.000000\baselineskip
Siempre según la invención, en el primer modo
operativo, los medios de procesamiento pueden calcular la dirección
y la intensidad de dicho empuje como una suma de un primer vector,
que representa la dirección y la intensidad de la traslación
seleccionadas por los medios de mando seleccionables, con un segundo
vector, proporcional a la diferencia entre dicho primer vector y un
segundo vector que representa la dirección y la intensidad de la
traslación detectadas por los medios sensores.
Todavía según la invención, en el primer modo
operativo, cuando los medios de mando seleccionables seleccionan que
no haya rotación, los medios de procesamiento pueden calcular dicho
momento M mediante un control PID según la fórmula:
donde
- \omega_{E} es igual al error entre el
ángulo de guiñada \omega_{I} detectado por los medios sensores y
el ángulo de guiñada \omega seleccionado por los medios de mando
seleccionables:
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{M1}) y n, y
- NRPK, NRDK, NRIK y NI_{M1} son un quinto, un
sexto, un séptimo, y un octavo parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
Además, según la invención, en el primer modo
operativo (MA), cuando los medios de mando seleccionables
seleccionan una rotación R_{C}, los medios de procesamiento
calculan dicho momento M mediante un control PID según:
donde
- R_{E} es igual al error entre la rotación
seleccionada R_{C} y la velocidad de rotación \frac{d\omega}{dt}
detectada por los medios sensores:
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{M2}) y n, y
- RPK, RDK, RIK y NI_{M2} son un noveno, un
décimo, un undécimo y un duodécimo parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
Siempre según la invención, los medios de
procesamiento pueden calcular además un parámetro de control KTM que
es enviado al medio de composición de fuerzas, que lo usa al generar
dichas una o más señales de control para los medios accionadores
para asignar un peso a dichas segundas señales intermedias de
control de momento con respecto a dichas una o más primeras señales
intermedias de control de empuje, calculándose el parámetro de
control KTM como una función de la R_{C} seleccionada por los
medios de mando seleccionables según la fórmula:
donde
- R_{E} es igual al error entre la rotación
seleccionada R_{C} y la velocidad de rotación \frac{d\omega}{dt}
detectada por los medios sensores:
- \omega_{E} es igual al error entre el
ángulo de guiñada \omega_{I} detectado por los medios sensores y
el ángulo de guiñada \omega seleccionado por los medios de mando
seleccionables:
- TMRFG y TMHFG son un decimotercer y un
decimocuarto parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
Todavía según la invención, el sistema puede ser
apropiado para funcionar según un segundo modo operativo en el que
dichas una o más señales de control son generadas para hacer que los
medios de propulsión y/o maniobra produzcan dicho empuje y/o dicho
momento apropiados para hacer que la nave mantenga una posición y/o
un ángulo de la proa seleccionados por los medios de mando
seleccionables.
Además, según la invención, dichas una o más
señales de control pueden ser generadas cuando las desviaciones de
la posición y/o el ángulo de la proa detectados por los medios
sensores respecto a la posición y/o el ángulo de la proa
seleccionados por los medios de mando seleccionables son mayores que
un primer y un segundo umbral máximo, respectivamente.
Siempre según la invención, dichas una o más
señales de control pueden ser generadas dando prioridad al
mantenimiento de la posición.
Todavía según la invención, en el segundo modo
operativo, los medios de procesamiento pueden calcular un vector
\vec{S} representativo de dicho empuje mediante un control PID
según la fórmula:
donde
- \vec{C} es un vector representativo de un
movimiento corrector, igual a la diferencia entre un vector
1000 representativo de la posición seleccionada por
los medios de mando seleccionables, y un vector 1001
representativo de la posición detectada por los medios sensores:
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{S}) y n, y
- PHPK, PHDK, PHIK y NI_{S} son un
decimoquinto, un decimosexto, un decimoséptimo y un decimoctavo
parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
Además, según la invención, en el segundo modo
operativo, los medios de procesamiento pueden calcular dicho momento
M mediante un control PID según la fórmula:
donde
- R_{E} es igual al error entre la rotación
seleccionada R_{C} y la velocidad de rotación
\frac{d\omega}{dt} detectada por los medios sensores:
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{M2}) y n, y
- RPK, RDK, RIK y NI_{M2} son un noveno, un
décimo, un undécimo y un duodécimo parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
Siempre según la invención, los medios
generadores de empuje pueden generar cada una de dichas una o más
primeras señales intermedias de control de empuje como una variable
de salida concretizada calculada mediante dicha lógica difusa,
empleando como variables de entrada la dirección y la intensidad de
dicho valor de empuje.
Todavía según la invención, los medios
generadores de momento pueden generar cada una de dichas una o más
segundas señales intermedias de control de momento como una variable
de salida concretizada calculada mediante dicha lógica difusa,
empleando como variables de entrada la intensidad de dicho valor de
momento.
Siempre según la invención, los medios
generadores de señales de control pueden comprender un medio de
composición de fuerzas que genera al menos una señal compuesta
A^{j}_{TOT}, que corresponde a una de dichas una o más
señales de control para los medios accionadores, mediante la suma de
una primera señal intermedia correspondiente A^{j}_{TG}, a
partir de dichas una o más primeras señales intermedias de control
de empuje, con una segunda señal intermedia correspondiente
A^{j}_{MG}, a partir de dichas segundas señales intermedias
de control de momento:
Además, según la invención, el medio de
composición de fuerzas puede generar dicha al menos una señal
compuesta A^{j}_{TOT} ponderando las contribuciones a dicha
suma, dadas por la primera señal intermedia correspondiente
A^{j}_{TG} y por la segunda señal intermedia
correspondiente A^{j}_{MG}, mediante el parámetro de
control KTM según la fórmula:
Siempre según la invención, el medio generador
de señales de control puede comprender medios de control apropiados
para controlar y dar los valores de dichas una o más señales de
control para los medios accionadores.
Todavía según la invención, los medios de
control pueden impedir que al menos una señal de control de rotación
de un motor, de dichas una o más señales de control para los medios
accionadores, produzca cambios bruscos de la condición de rotación
de dicho motor.
Además, según la invención, los medios de
control pueden impedir que al menos una señal (A^{j\_ROT})
de control de rotación de un motor, de dichas una o más señales de
control para los medios accionadores, produzca inversiones
consecutivas y cercanas de la dirección de rotación de dicho
motor.
Siempre según la invención, al menos una señal
compuesta A^{j}_{TOT} generada por el medio de composición
de fuerzas puede ser modificada por un filtro de respuesta de
impulso finito o filtro FIR digital.
Todavía según la invención, dicho filtro FIR
puede depender de uno o más segundos parámetros de
funcionamiento.
Además, según la invención, al menos una señal
compuesta A^{j}_{TOT} generada por el medio de composición
de fuerzas puede ser cambiada de escala.
Siempre según la invención, el valor
A^{j} de al menos una señal de control para los medios
accionadores puede estar dada por una función de histéresis
respectiva f^{j}_{H} de una señal compuesta correspondiente
A^{j}_{TOT} generada por el medio de composición de
fuerzas:
Todavía según la invención, dicha función de
histéresis f^{j}_{H} puede depender de uno o más terceros
parámetros de funcionamiento.
Además, según la invención, el sistema puede
funcionar según al menos un parámetro de funcionamiento o ajuste
determinable mediante al menos un proceso de calibración.
Siempre según la invención, dicho al menos un
parámetro determinable puede ser uno de dichos uno o más primeros
parámetros de funcionamiento que definen una instancia única de una
variable de salida de dicha lógica difusa.
Todavía según la invención, dicho al menos un
proceso de calibración puede ser automático.
Siempre según la invención, el sistema puede
comprender además medios de multiplexación, conectados a los medios
electrónicos de procesamiento y de control desde los cuales es
apropiado recibir como entrada al menos una parte de dichas una o
más señales de control, estando conectados los medios de
multiplexación además a la entrada a uno o más instrumentos de
control, con los que está provista la nave, cada uno de los cuales
es apropiado para generar una o más señales de control adicionales
que corresponden a dicha al menos una parte de dichas una o más
señales de control generadas por los medios electrónicos de
procesamiento y de control, estando conectados los medios de
multiplexación a la salida a los medios accionadores, por medio de
la cual los medios de multiplexación transmiten alternativamente a
los medios accionadores las señales de entrada procedentes de los
medios electrónicos de procesamiento y de control o de dichos uno o
más instrumentos de control.
Además, según la invención, los medios de
multiplexación pueden ser seleccionables, por lo que pueden
seleccionarse las señales de entrada que hay que transmitir a la
salida.
Siempre según la invención, los medios de mando
seleccionables pueden enviar a los medios electrónicos de
procesamiento y de control una o más señales de selección de un
movimiento de traslación y/o de un movimiento de rotación y/o de una
posición y/o de una actitud de la nave.
Todavía según la invención, los medios de mando
seleccionables pueden comprender al menos una unidad de mando que
comprende una palanca de mando y/o un dispositivo apuntador y/o un
dispositivo de palanca o bastón de control y/o una pantalla táctil
y/o un dispositivo informatizado de mando por voz y/o un teclado
numérico y/o un radiocontrol.
Además, según la invención, al menos una unidad
de mando puede ser conectada a los medios electrónicos de
procesamiento y de control a través de una conexión inalámbrica.
Siempre según la invención, dicha conexión
inalámbrica puede ser una conexión según la tecnología WiFi.
Todavía según la invención, el sistema puede
comprender además medios de visualización y/o medios de señalización
acústica y/o visual.
Además, según la invención, los medios sensores
pueden comprender un sensor de posición por GPS y/o un compás
electrónico y/o un anemómetro y/o un medidor de corriente
líquida.
Todavía es un objeto específico de la presente
invención un método de control automático de maniobra de naves a
motor, apropiado para ser ejecutado por los medios electrónicos de
procesamiento y de control de un sistema de control automático de
maniobra de naves a motor como se describió anteriormente, que
comprende las etapas de:
A. recibir una o más señales de selección de un
movimiento y/o una posición de la nave procedentes de los medios de
mando seleccionables, y
D. enviar una o más señales de control a medios
accionadores que controlan medios de propulsión y/o maniobra de la
nave;
estando caracterizado el método porque además
comprende las siguientes etapas:
B. recibir una o más señales de detección
procedentes de medios sensores de una nave, y
C. procesar dichas una o más señales de
detección y dichas una o más señales de selección para generar
dichas una o más señales de control para hacer que los medios de
propulsión y/o maniobra produzcan un empuje y/o un momento
apropiados para hacer que la nave asuma el movimiento y/o la
posición seleccionados por los medios de mando seleccionables, por
medio de los cuales el sistema compensa sustancialmente en tiempo
real cualquier perturbación del movimiento y/o posición
seleccionados.
Preferentemente según la invención, la etapa C
genera dichas una o más señales de control según una lógica difusa,
que tiene una variable de salida para cada una de dichas una o más
señales de control.
Siempre según la invención, dicha lógica difusa
puede ser de tipo Sugeno y/o puede tener lógica de inferencia
basada en el funcionamiento mínimo, el cálculo del coeficiente de
actividad basado en la suma de todas las activaciones para una
salida, y concretización basada en el método centroide.
Todavía según la invención, dicha lógica difusa,
para al menos una variable de entrada o salida, puede usar un
conjunto de funciones de pertenencia que tienen forma idéntica y
uniformemente distribuidas por un intervalo de valores asumibles por
dicha al menos una variable de entrada o salida.
Además, según la invención, dicha lógica difusa,
para al menos una variable de salida, puede usar un conjunto de
funciones de pertenencia de tipo de instancia única.
Siempre según la invención, dicha lógica difusa,
para al menos una variable de entrada o salida, puede usar un
conjunto de funciones de pertenencia dependiendo de uno o más
primeros parámetros de funcionamiento.
Todavía según la invención, el método puede
comprender además una etapa preliminar de determinar automáticamente
el conjunto de funciones de pertenencia de una o más variables de
entrada y/o salida de dicha lógica difusa.
Además, según la invención, la etapa C puede
comprender las siguientes subetapas:
C.1 procesar dichas una o más señales de
detección y dichas una o más señales de selección y calcular el
valor de dicho empuje y/o el valor de dicho momento,
C.2 Generar, a partir de dicho valor de empuje,
una o más primeras señales intermedias de control de empuje,
C.3 Generar, a partir de dicho valor de momento,
una o más segundas señales intermedias de control de momento, y
C.4 Generar, a partir de dichas una o más
primeras señales intermedias de control de empuje y dichas segundas
señales intermedias de control de momento, dichas una o más señales
de control.
Siempre según la invención, la subetapa C.2
puede generar cada una de dichas una o más primeras señales
intermedias de control de empuje como variable de salida
concretizada calculada mediante dicha lógica difusa, empleando como
variables de entrada la dirección y la intensidad de dicho valor de
empuje.
Todavía según la invención, la subetapa C.2
puede generar cada una de dichas una o más segundas señales
intermedias de control de momento como variable de salida
concretizada calculada mediante dicha lógica difusa, empleando como
variables de entrada la dirección y la intensidad de dicho valor de
momento.
Además, un objeto específico de la presente
invención es un proceso de calibración de uno o más parámetros de
funcionamiento o ajuste de un sistema de control automático de
maniobra de naves a motor como se describió anteriormente, estando
relacionados dichos uno o más parámetros con la generación de una o
más señales de control apropiadas para hacer que los medios de
propulsión y/o maniobra produzcan una rotación de la nave,
comenzando el proceso desde un conjunto inicial de dichos uno o más
parámetros de rotación, estando caracterizado el proceso porque
comprende la siguiente etapa:
J. producir una o más señales de selección de un
movimiento de rotación, para hacer que el sistema genere una o más
señales de control,
K. calcular la distancia D^{ROT} recorrida por
el baricentro de la nave,
L. verificar si la distancia D^{ROT} es más
corta que un umbral máximo predeterminado D^{ROT\_MAX},
M. en el caso en que la etapa L da un resultado
positivo, memorizar el conjunto de parámetros de rotación usados por
el sistema para generar dichas una o más señales de control y
terminar el proceso,
N. en el caso en que la etapa L da un resultado
negativo, modificar uno o más parámetros de rotación para reducir la
distancia D^{ROT} y repetir el proceso comenzando desde la etapa
J.
Siempre según la invención, la etapa N puede
comprender las siguientes subetapas:
N.1 verificar si la nave gira la proa hacia el
exterior de un círculo cuyo diámetro es igual a la distancia
D^{ROT} y que es tangente a un vector representativo de la
velocidad del baricentro de la nave al final de la rotación, estando
situado dicho círculo dentro del semiplano al que pertenece la
posición del baricentro al comienzo de la rotación,
N.2 en el caso en que la subetapa N.1 da un
resultado positivo, modificar dichos uno o más parámetros de
rotación para reducir el empuje hacia la izquierda, con respecto al
empuje hacia la derecha, de los medios de propulsión y/o maniobra de
la nave, y
N.3 en el caso en que la subetapa N.1 da un
resultado negativo, modificar uno o más parámetros de rotación para
reducir el empuje hacia la derecha, con respecto al empuje hacia la
izquierda, de los medios de propulsión y/o maniobra de la nave.
Siempre es objeto específico de la presente
invención un segundo proceso de calibración de uno o más parámetros
de funcionamiento o ajuste de un sistema de control automático de
maniobra de naves a motor como se describió anteriormente, estando
relacionados dichos uno o más parámetros con la generación de una o
más señales de control apropiadas para hacer que los medios de
propulsión y/o maniobra produzcan una traslación de la nave,
comenzando el proceso desde un conjunto inicial de dichos uno o más
parámetros de traslación, estando caracterizado el proceso porque
comprende, para al menos una dirección de traslación, la siguiente
etapa:
P. producir una o más señales de selección de un
movimiento de traslación, para hacer que el sistema genere una o más
señales de control,
Q. calcular el error angular E_{\Delta CI} de
la dirección de traslación seguida realmente por la nave, detectada
por los medios sensores, con respecto a la dirección del movimiento
de traslación seleccionado,
R. verificar si el error angular E_{\Delta CI}
es inferior a un umbral máximo predeterminado E_{C\_MAX},
S. en el caso en que la etapa R da un resultado
positivo, memorizar el conjunto de parámetros de traslación usados
por el sistema para generar dichas una o más señales de control y
terminar el proceso,
T. en el caso en que la etapa R da un resultado
negativo, modificar dichos uno o más parámetros de traslación para
reducir la desviación angular E_{C} y repetir el proceso
comenzando desde la etapa P.
Siempre según la invención, la etapa S puede
memorizar el conjunto de parámetros de traslación usados por el
sistema para generar dichas una o más señales de control sólo si un
vector representativo de una corrección de dicha traslación, que es
inducido por los medios electrónicos de procesamiento y de control
(30), es de módulo inferior a un umbral máximo predeterminado
respectivo TM_{MAX}, si no, se ejecuta la etapa T.
Todavía es un objeto específico de la presente
invención una nave, que comprende medios accionadores, que controla
medios de propulsión y/o maniobra, y medios sensores, caracterizada
porque está provista del sistema de control automático de maniobra
de naves a motor como se describió anteriormente.
A continuación se describirá la presente
invención, a modo de ilustración y no a modo de limitación, según su
realización preferida, haciendo referencia particularmente a las
figuras de los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra una realización preferida
del sistema según la invención;
la figura 2 muestra con mayor detalle una parte
del sistema de la figura 1;
la figura 3 muestra con mayor detalle una
porción de la parte de la figura 2;
la figura 4 muestra esquemáticamente algunas
cantidades consideradas por el sistema de la figura 1;
la figura 5 muestra esquemáticamente una
cantidad más considerada por el sistema de la figura 1;
la figura 6 muestra esquemáticamente algunas
otras cantidades consideradas por el sistema de la figura 1;
las figuras 7a, 7b, y 8 muestran
esquemáticamente algunas funciones del miembro de entrada empleadas
por una lógica difusa usada por el sistema de la figura 1;
la figura 9 muestra esquemáticamente una función
del miembro de salida empleada por la lógica difusa usada por el
sistema de la figura 1;
la figura 10 muestra esquemáticamente un primer
proceso de calibración del sistema de la figura 1;
las figuras 11a y 11b muestran esquemáticamente
dos situaciones que se producen durante el proceso de la figura
10;
la figura 12 muestra esquemáticamente un segundo
proceso de calibración del sistema de la figura 1; y
la figura 13 muestra esquemáticamente una
situación que se produce durante el proceso de la figura 12.
En las figuras, los elementos iguales están
indicados por mismos números de referencia.
El sistema según la invención reemplaza los
mandos usados normalmente por un único dispositivo de control
intuitivo como, por ejemplo, una palanca de mando, mediante la cual
se controlan directamente las traslaciones y rotaciones de la
nave.
En particular, en lo que viene a continuación de
la descripción se hará referencia principalmente a una palanca de
mando como dispositivo de control utilizable por el piloto. Sin
embargo, debe tenerse en cuenta el hecho de que el sistema según la
invención puede comprender alternativamente o además otros
dispositivos de control utilizables, como, por ejemplo, un ratón o
un dispositivo apuntador de bola de control de cursor, un
dispositivo de palanca o bastón de control, una pantalla táctil, un
dispositivo informatizado de mando por voz, un teclado numérico, un
radiocontrol.
La palanca de mando está conectada a una caja de
engranajes electrónica que controla los aparatos de a bordo para
realizar la maniobra seleccionada por el piloto. El sistema según la
invención tiene en cuenta automáticamente los efectos de las
corrientes, el viento, y otras posibles perturbaciones, compensando
automáticamente en tiempo real tales efectos mediante el
funcionamiento de los motores para realizar el movimiento y/o la
rotación seleccionados o mantener la posición y la dirección de la
proa establecidas por el piloto. De hecho, el sistema según la
invención está estructurado para controlar directamente el
movimiento de traslación y rotación de la nave mediante el análisis
del movimiento real y posiblemente de los parámetros ambientales
como el viento y la corriente.
\newpage
Además, el sistema según la invención tiene la
capacidad de adaptarse a la nave mediante un procedimiento
automático de calibración que ha de ser ejecutado en el momento de
instalación, y posiblemente de manera periódica y/o cada vez que lo
hagan necesario cambios estructurales de la nave.
En particular, el sistema según la invención no
requiere medios de maniobra específicos, sino que es capaz de usar
uno o más motores principales. De hecho, es aplicable a naves
provistas de motores principales derecho e izquierdo, situados
preferentemente a popa, o con un solo motor orientable
(preferentemente acompañado de un motor de maniobra de popa), y
posiblemente provistas también ventajosamente de un motor
transversal de maniobra de proa. Aunque no es estrictamente
necesario, pueden usarse otros medios de propulsión para mejorar
los rendimientos del sistema. El sistema además es aplicable
ventajosamente a naves provistas de línea de ejes o motores de popa
o motores fueraborda. En caso un solo motor principal o hélices que
no giran en sentido inverso, se requiere preferentemente un motor
de maniobra de popa, o un aparato de maniobra similar (como, por
ejemplo en yates, un periscopio subacuático de chorro de agua
transversal).
La realización preferida del sistema según la
invención tiene tres modos operativos básicos: apagado o modo OFF,
asistencia a la maniobra o modo MA (asistente de maniobra), y
mantenimiento de la posición o modo PH (mantenedor de posición). En
el modo OFF, el sistema está sustancialmente inactivo y es
completamente transparente, estando activados los mandos estándar
con los que la nave está provista. En el modo MA, la caja de
engranajes electrónica del sistema controla los medios de
propulsión y los posibles medios de maniobra, permitiendo que el
pilote controle directamente, mediante el dispositivo de control
intuitivo, el movimiento de traslación y/o de rotación de la nave.
En el modo PH, el sistema acciona los medios de propulsión y los
posibles medios de maniobra para mantener la posición y la dirección
de la proa seleccionadas.
Con referencia a la figura 1, puede observarse
que la realización preferida del sistema comprende una unidad de
mando 1 y una unidad de control 2.
La unidad de mando 1 es la interconexión entre
el piloto y el sistema según la invención. Como se dijo, puede
estar basada en diferentes tipos de dispositivos, como, por ejemplo,
una palanca de mando, una bola de control de cursor, una pantalla
táctil o cualquier otro dispositivo o conjunto de dispositivos que
permita especificar el movimiento de traslación y/o rotación que se
desea obtener y/o la posición y/o la actitud que se desea mantener.
Alternativamente según la invención, la función de la unidad de
mando 1 puede ser llevada a cabo posiblemente por otros aparatos de
a bordo pensados para pilotar la nave, para obtener funciones más
sofisticadas.
Otras realizaciones del sistema según la
invención pueden estar provistas de unidades de mando diferentes
que funcionan independientemente entre sí o en combinación entre sí,
tales unidades también pueden ser portátiles, por ejemplo, basadas
en tecnología inalámbrica, preferentemente WiFi, para permitir que
el piloto pilote la nave desde diversas posiciones (por ejemplo,
incluso desde tierra durante las maniobras de amarre).
La unidad de mando 1 de la realización preferida
del sistema según la invención está provista preferentemente de
dispositivos de visualización para mostrar al piloto información,
posiblemente también recibida por la unidad de control 2 y por
medios detectores externos al sistema (como radar y/o sonar), útiles
para pilotar la nave.
La unidad de control 2 tiene la tarea de
procesar datos procedentes de la unidad de mando 1, y de
instrumentos de a bordo 3 (que comprenden varios sensores como, por
ejemplo, un sensor de posición por GPS, un compás electrónico y un
anemómetro) para generar señales para controlar los accionadores 4,
que controlan los medios de maniobra (como, por ejemplo, engranajes
de inversión de motor, un timón, motores de maniobra) para realizar
el movimiento seleccionado o mantener la posición y actitud
seleccionadas. En el caso en que el sistema funciona en modo OFF,
la unidad de control 2 es transparente, y las señales procedentes de
los mandos estándar de a bordo 5 son enviadas directamente a los
accionadores relacionados 4. El modo de funcionamiento es
seleccionado por un selector adecuado (no mostrado) de la unidad de
mando 1. Preferentemente, el sistema funciona según el modo OFF
incluso en caso de conexión fallida con una unidad de mando 1 y/o en
cada activación de los mandos estándar de a bordo 5.
Con referencia a la figura 2, puede observarse
que la unidad de control 2 comprende un dispositivo de procesamiento
10, que controla el sistema según la invención, al que están
conectadas una primera unidad 11 de interconexión con la unidad de
mando 1 y una segunda unidad 12 de interconexión con los
instrumentos de a bordo 3. En particular, la primera unidad de
interconexión 11, que comprende posiblemente dispositivos de
comunicación inalámbrica, puede ser apropiada para comunicarse
mediante protocolos seguros con una pluralidad de unidades de mando
1, posiblemente remotas. Como se muestra en la figura 2, la segunda
unidad de intercomunicación 12 puede comprender, por ejemplo, tres
subunidades 22, 23 y 24 de interconexión, respectivamente, con un
sensor GPS, un compás electrónico, y un dispositivo sensor de
dirección e intensidad de viento.
El dispositivo de procesamiento 10 es el
elemento básico del sistema que, en los modos de funcionamiento MA
y PH, procesa la información procedente de la primera y segunda
unidades de interconexión 11 y 12 para generar señales de control
enviadas a los accionadores 4 de los medios de maniobra a través de
una unidad de multiplexación de señales de control 13 y una tercera
unidad de interconexión 14 con los accionadores 4. En la figura 2,
la tercera unidad de interconexión 14 comprende tres subunidades 15,
16 y 17 de interconexión, respectivamente, con los accionadores de
los engranajes de inversión de motor, los accionadores del timón, y
los accionadores de los motores de maniobra.
La unidad de multiplexación 13 es apropiada para
restaurar la conexión directa entre los mandos estándar de a bordo
5 y los accionadores relacionados 4 en el caso en que el sistema
según la invención no está encendido y/o en el caso en que funciona
en modo OFF o se use un mando estándar. Con este fin, una cuarta
unidad de interconexión 18 con los instrumentos de a bordo estándar
5 está conectada con la unidad de multiplexación 13, que en la
figura 2 comprende tres subunidades 19, 20 y 21 de interconexión,
respectivamente, con una o más palancas manuales de control del
engranaje de inversión de motor, el timón, y los instrumentos de
control el motor de maniobra.
En particular, la segunda, la tercera y la
cuarta unidades de interconexión 12, 14 y 18 (que posiblemente
pueden comprender dispositivos de comunicación inalámbrica)
implementan los diversos estándares de comunicación usados
normalmente en el campo náutico, permitiendo que se usen equipos e
instrumentos posiblemente ya presentes en la nave. Está claro que,
en el caso en que el sistema se aplica a naves recién construidas,
tales interconexiones podrían estar integradas directamente en el
dispositivo de procesamiento 10 y/o la unidad de multiplexación 13.
Sin embargo, la realización preferida del sistema está provista de
tales interconexiones separadas incluso en el caso en que se aplica
a nuevas naves, para permitir posiblemente que los protocolos de
comunicación con equipos e instrumentos sean cambiados más
fácilmente (por ejemplo, en el caso en que estos sean
actualizados).
Con referencia a la figura 3, puede observarse
que el dispositivo de procesamiento 10 comprende una unidad de
procesamiento 30 que recibe como entrada, procedente de la primera
unidad de interconexión 11, el comando que hay que ejecutar tal
como ha sido seleccionado por el piloto mediante la unidad de mando
1, y, procedente de la segunda unidad de interconexión 12, datos de
realimentación detectados por los instrumentos 3. En particular, la
unidad de procesamiento 30 calcula los valores de momento y empuje
que han de ser producidos totalmente por los medios de maniobra
para obtener el movimiento seleccionado o para mantener la posición
y actitud seleccionadas, teniendo en cuenta las perturbaciones
externas y la dinámica de la nave dada por una unidad de
procesamiento de GPS 31, que recibe datos dados por la subunidad 22
de interconexión con el sensor GPS.
La unidad de procesamiento 30 proporciona a un
generador de empuje 32 el valor del empuje que ha de generar, de
manera que éste genera las señales necesarias para la tercera unidad
de interconexión 14 para controlar los accionadores 4 para ajustar
el único medio de maniobra para producir totalmente el empuje
requerido. Igualmente, un generador de momento 33 recibe de la
unidad de procesamiento 30 el valor del momento que hay que generar
y produce las señales necesarias para la tercera unidad de
interconexión 14 para controlar los accionadores 4 para ajustar el
único medio de maniobra para producir totalmente el momento
requerido por la unidad 30.
Las señales generadas por separado por los
generadores de empuje y momento, 32 y 33 respectivamente, son
compuestas por una unidad de composición de fuerzas 34, que
preferentemente da prioridad a las señales de ajuste de momento. En
otras palabras, la unidad de composición de fuerzas 34 calcula, para
cada accionador, todas las señales de control para hacer que los
medios de maniobra produzcan tanto el empuje como el momento de
rotación apropiados para causar los movimientos de rotación y
traslación que corresponden a los que fueron seleccionados por la
unidad de mando 1.
Por último, un controlador de señales del
accionador 35 prepara las señales procedentes de la unidad de
composición de fuerzas 34 para su transmisión sucesiva a la tercera
unidad de interconexión 14, a través de la unidad de multiplexación
13.
En particular, en el modo de funcionamiento MA,
la unidad de procesamiento 30 genera el empuje y el momento para
obtener la maniobra seleccionada por la unidad de mando 1, mientras
que, en el modo de funcionamiento PH, genera el empuje y el momento
para oponerse a las perturbaciones externas y mantener la posición y
actitud seleccionadas.
Más específicamente, en el modo MA, la unidad de
procesamiento 30 genera el empuje y el momento basándose en la
señal que corresponde al mando seleccionado procedente de la unidad
de mando 1 y de los datos relacionados con la dirección de
movimiento y el ángulo de la proa efectivos como son detectados por
los instrumentos de a bordo 3. En otras palabras, la unidad de
procesamiento 30 cierra el bucle de realimentación que controla la
dirección de movimiento y la rotación de la nave, compensando los
efectos de las fuerzas externas, la inercia y otras posibles causas
de error.
Con referencia a la figura 4, en la que se
representa esquemáticamente una nave 40 en la que se aplica el
sistema según la invención, la dirección \alpha_{s} del empuje
\vec{S} = TH \cdot \vec{S}_{1} para producir mediante los
medios de maniobra, representados por el versor 18
se determina basándose en:
- el versor de la dirección de movimiento
seleccionada por la unidad de mando 1
19
y
\newpage
- el vector de la velocidad de movimiento
detectada por los instrumentos de a bordo 3
20
donde x e y indican respectivamente el eje de
proa a popa o de desplazamiento longitudinal y el eje transversal o
de desplazamiento lateral.
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, la dirección \alpha_{S} del
empuje que hay que aplicar a la nave 40, que es igual a:
se determina preferentemente
mediante un control PID (Proporcional, Integral, Derivada),
representado por la
fórmula:
en la
que
y
donde:
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual, usada para el cálculo de la contribución de
la derivada,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{B}) y n, añadiendo NI_{B} muestras
sucesivas hasta la muestra del instante actual para el cálculo de la
contribución de la integral, y
- TPK, TDK, TIK son coeficientes, posiblemente
nulos.
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, TPK, TDK, TIK y NI_{B} son un
primero, un segundo, un tercero y un cuarto parámetros de ajuste del
sistema. Obviamente, el índice d también puede ser un parámetro de
ajuste del sistema adicional.
El versor \vec{S}_{1} del empuje que hay que
producir es igual a:
y, como resulta de la fórmula [1B],
el módulo del vector de velocidad de movimiento \vec{I} permite
modular la dirección \alpha_{s} del empuje que hay que producir
basándose en la velocidad de la
nave.
\vskip1.000000\baselineskip
Una vez que se determina la dirección de empuje
\vec{S}_{1}, la unidad de procesamiento 30 determina su
intensidad TH como proporcional al mando seleccionado por la unidad
de mando 1, determinando así el empuje 25
Alternativamente, la dirección e intensidad del
empuje pueden determinarse por la suma de un primer vector, que
representa la dirección y la intensidad del movimiento seleccionadas
por la unidad de mando 1, con un segundo vector, proporcional a la
diferencia entre el primer vector y el vector que representa la
dirección y la intensidad del movimiento detectadas por los
instrumentos de a bordo 3.
Con referencia a la figura 5, en la que se
representa esquemáticamente el denominado ángulo de guiñada \omega
de una nave 40 en la que se aplica el sistema según la invención, el
cálculo del momento se realiza según dos maneras diferentes
dependiendo de si el piloto requiere una rotación, seleccionada
mediante la unidad de mando 1, o no.
En el segundo caso, el sistema según la
invención debe mantener sustancialmente un avance rectilíneo de la
nave 40 con la proa orientada según un ángulo de guiñada
seleccionado \omega. En este caso, el ángulo de guiñada
\omega_{1} indicado por los instrumentos de a bordo 3 se
considera para calcular el ángulo de error de guiñada \omega_{E}
según:
donde \omega es el valor del
ángulo de guiñada seleccionado que hay que mantener. El momento M
que hay que aplicar a la nave 40 se determina comenzando dese el
ángulo de error de guiñada \omega_{E}, preferentemente mediante
un control PID representado por la
fórmula:
donde
- los índices n, d y t son similares a los
homólogos de la fórmula [1A], añadiendo así la suma NI_{M1}
muestras sucesivas hasta la muestra del instante actual para el
cálculo de la contribución de la integral, y
- NRPK, NRDK, NRIK son coeficientes,
posiblemente nulos.
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, NRPK, NRDK, NRIK y NI_{M1} son
un quinto, un sexto, un séptimo, y un octavo parámetros de ajuste
del sistema (y posiblemente incluso el índice d es un parámetro de
ajuste del sistema adicional).
En el caso en que la unidad de mando 1 impone
una rotación R_{C}, el momento M que hay que aplicar a la nave 40
se determina comenzando desde el error R_{E} entre la rotación
seleccionada R_{C} y la velocidad de rotación detectada
\frac{d\omega}{dt}:
por lo que el momento que hay que
aplicar se determina mediante un control PID representado por la
fórmula:
donde:
- los índices n, d y t son similares a los
homólogos de las fórmulas [1A] y [3], añadiendo la suma así
NI_{M2} muestras sucesivas hasta la muestra del instante actual
para el cálculo de la contribución de la integral, y
- RPK, RDK, RIK son coeficientes, posiblemente
nulos.
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, RPK, RDK, RIK y NI_{M2} son un
noveno, un décimo, un undécimo y un duodécimo parámetros de ajuste
del sistema (y posiblemente incluso el índice d es un parámetro de
ajuste del sistema adicional).
La unidad de procesamiento 30 también calcula un
parámetro de control KTM que indica el peso que hay que asignar a
la rotación con respecto a la traslación, parámetro que es enviado
directamente a la unidad de composición de fuerzas 34. En
particular, el valor KTM de tal peso se calcula de manera diferente
dependiendo de si se selecciona una rotación (R_{C} \neq
0) o no (R_{C} \neq 0):
donde TMRFG y TMHFG son un
decimotercer y un decimocuarto parámetros (posiblemente nulos) de
ajuste del sistema según la
invención.
En el modo PH, la unidad de procesamiento 30
genera el empuje y/o el momento basándose en el análisis de las
desviaciones de la posición seleccionada y/o el ángulo de proa
seleccionado como son detectados por los instrumentos de a bordo 3.
Preferentemente, pero no necesariamente, el empuje y/o el momento
sólo son generados cuando las desviaciones de la posición y/o el
ángulo de proa seleccionados son mayores que los umbrales máximos
correspondientes. Estas cantidades se usan para cerrar el bucle de
realimentación y compensar los efectos de las fuerzas externas
manteniendo la posición y la orientación de la proa. En otras
palabras, la unidad de procesamiento 30 cierra el bucle de
realimentación que controla la posición seleccionada y el ángulo de
proa seleccionado, compensando los efectos de las fuerzas externas,
la inercia y otras posibles causas de error para mantener la
posición y actitud seleccionadas.
Sin embargo, en condiciones extremas, cuando la
acción de los medios de maniobra no es capaz de oponerse a las
fuerzas externas, se da prioridad al mantenimiento de posición. Es
decir, si con la orientación de la proa seleccionada el sistema no
es capaz de mantener la posición seleccionada, se modifica la
orientación de la proa buscando un ángulo más favorable para
mantener la posición. Esto permite determinar la mejor actitud para
mantener la posición seleccionada. Consideremos, por ejemplo, una
situación en la que la nave está expuesta a un viento de costado
tan fuerte que el empuje lateral disponible no puede oponerse a la
fuerza aerodinámica; en este caso, el sistema según la invención
favorece la rotación de la nave en la dirección más favorable para
llegar a una situación de viento de popa o de proa en la que los
motores principales pueden oponerse fácilmente al efecto del
viento. Preferentemente, el sistema, bajo condiciones límite para
mantenimiento de la posición y orientación de proa seleccionadas,
señala al piloto, por ejemplo mediante una advertencia visual y/o
acústica, la aparición de la situación límite antes de que se
realice la maniobra de restauración (por ejemplo, la rotación de la
nave hasta determinar la mejor actitud).
Con referencia a la figura 6, en la que se
representan esquemáticamente los vectores que representan:
- la posición seleccionada 31
que hay que mantener,
- la posición 32 detectada por
los instrumentos de a bordo 3, y
- el movimiento corrector 33 que
hay que realizar,
la unidad de procesamiento 30 determina el
empuje que hay que producir mediante los medios de maniobra,
representado por los vectores 34 todavía
preferentemente mediante un control PID representado por la
fórmula:
donde
- los índices n, d y t son similares a los
homólogos de las fórmulas [1A], [3] y [5], añadiendo la suma así
NI_{S} muestras sucesivas hasta la muestra del instante actual
para el cálculo de la contribución de la integral, y
- PHPK, PHDK, PHIK son coeficientes,
posiblemente nulos.
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, PHPK, PHDK, PHIK y NI_{S} son
un decimoquinto, un decimosexto, un decimoséptimo y un decimoctavo
parámetros de ajuste del sistema (y posiblemente incluso el índice d
es un parámetro de ajuste del sistema adicional).
En el modo PH, la unidad de procesamiento 30
determina el momento que hay que producir mediante los medios de
maniobra todavía mediante la fórmula [3] previa.
Como se dijo, el empuje y el momento que hay que
producir mediante los medios de maniobra, una vez calculados por la
unidad de procesamiento 30, se traducen en ajustes específicos de
los medios de maniobra por el generador de empuje 32 y el generador
de momento 33.
Ambos generadores 32 y 33 están basados en
lógica difusa de tipo Sugeno con lógica de inferencia basada en
funcionamiento mínimo y cálculo del coeficiente de actividad basado
en la suma de todas las activaciones para una salida.
Las funciones del miembro de entrada para el
generador de empuje 32 de la realización preferida del sistema están
representadas en la figura 7: la figura 7a muestra la función del
miembro de la dirección de empuje, representada con un ángulo 0 a
2\pi; la figura 7b muestra la función del miembro de la intensidad
de empuje, representada con un valor comprendido entre 0 y 1.
La función del miembro de entrada para el
generador de momento 33 está representada en la figura 8, donde la
variable de entrada, igual a la intensidad del momento, está
representada con un valor incluido en el intervalo -1 a 1.
Puede observarse que las funciones de
pertenencia de las variables de entrada de ambos generadores tienen
la misma forma y se distribuyen uniformemente por el intervalo de
definición de las variables de entrada asociadas, optimizando
también la supresión de ruido del modelo difuso. Sin embargo, otras
realizaciones del sistema según la invención pueden definir
diferentes formas de tales funciones de pertenencia y distribuirlas
de manera no uniforme por el intervalo de definición de la variable
de entrada respectiva. Además, es posible también emplear métodos e
instrumentos de optimización y/o aprendizaje electrónico del número,
la forma y la distribución de las funciones de pertenencia por el
intervalo de definición de la variable de entrada respectiva.
Como se muestra esquemáticamente en la figura 9,
se ha supuesto que las funciones del miembro de salida son un
conjunto de instancias únicas, es decir, conjuntos difusos que
incluyen sólo un elemento cada uno: cada valor indica la regulación
para un cierto accionador en el caso en que una regla asociada es
totalmente cierta y las otras son totalmente falsas. En particular,
está definida una función del miembro de salida para cada
accionador, cuyo número y distribución de las instancias únicas
depende de las características de la nave y cuyos parámetros
característicos son determinados en la fase de calibración del
sistema según la invención.
Como se dijo, los valores de los diversos
antecedentes se combinan según el operador mínimo, mientras que el
valor del coeficiente de actividad de cada consecuente (es decir, de
cada salida de instancia única) se calcula basándose en la suma de
todas las activaciones de ese consecuente (es decir, de esa salida
de instancia).
La denominada concretización se realiza usando
el método centroide, es decir, la media ponderada de los valores
difusos de salida relacionada con su coeficiente de actividad total
respectivo, generando una señal para medio de maniobra en
consideración.
Aunque otras realizaciones del sistema según la
invención pueden comprender lógica de funcionamiento diferente de
los generadores 32 y 33, la lógica difusa en la que se basan
preferentemente permite que el control realizado por el sistema
según la invención se adapte a la variabilidad de las condiciones de
funcionamiento. Tal variabilidad es sumamente dinámica y poco
previsible, debido a la naturaleza de la aplicación del sistema al
control de una nave sometida a condiciones meteorológicas y
dinámicas variables e imprevisibles. En otras palabras, la lógica
difusa (preferentemente, pero no necesariamente, de tipo Sugeno con
las características ilustradas anteriormente), en la que están
basados preferentemente los generadores 32 y 33, hace al sistema
según la invención adaptable a las diversas condiciones de
funcionamiento que pueden producirse.
Como se dijo, las reglas difusas son de tipo
Sugeno, en las que el consecuente de los antecedentes es
sustancialmente una función, representativa de un modelo (por
ejemplo, lineal o polinómico), de las entradas. Estas reglas definen
las condiciones en las que ha de aplicarse un modelo, combinando las
salidas de las funciones.
Para cada accionador j, con j=1,...,N, donde N
\geq 1, controlado por el sistema según la invención, la unidad
de composición de fuerzas 34 compone los valores de las señales de
control correspondientes procedentes del generador de empuje 32 y
del generador de momento 33, valores que están indicados
respectivamente como A^{j}_{TG} y A^{j}_{MG}. En
particular, la unidad 34 genera un único valor compuesto
A^{j}_{TOT}, para cada accionador j, basándose en el
principio de superposición de los efectos, añadiendo por lo tanto
los valores A^{j}_{TG} procedente del generador de empuje
32 y A^{j}_{MG} procedente del generador de momento 33,
que son ponderados mediante el parámetro de control KTM calculado
por la unidad de procesamiento 30 mediante la fórmula [6].
Específicamente, la unidad 34 genera el valor compuesto
A^{j}_{TOT}, para cada accionador j, según la siguiente
fórmula:
El controlador de señales del accionador 35, que
prepara las señales compuestas A^{j}_{TOT} procedentes de
la unidad 34 para la siguiente transmisión a la unidad de
multiplexación 13, evita acciones repentinas en las señales de
control A^{j} enviadas a los accionadores 4 a través de la tercera
interconexión 14, como, por ejemplo, cambios bruscos de la
condición de rotación de los motores o inversiones consecutivas y
cercanas de la dirección de rotación. Por otra parte, el
controlador 35 limita el valor de las señales de control A^{j}
dentro de su intervalo predeterminado respectivo. En particular,
los valores compuestos A^{j}_{TOT}, con j=1,...,N, donde N
\geq 1, calculados por la unidad 34 según la fórmula [8], son
modificados por filtros digitales respectivos de tipo FIR (es
decir, de respuesta de impulso finito), que tienen un número
ajustable de coeficientes de valor ajustable, donde el número y el
valor de los coeficientes son parámetros del sistema adicionales que
son calibrados preferentemente basándose en las características
específicas de la nave.
\newpage
Preferentemente, luego las señales son cambiadas
de escala para tener un valor máximo comprendido entre -1 y 1. Más
detalladamente, una vez que se ha determinado el valor máximo M de
los módulos de las señales compuestas A^{j}_{TOT}:
y, si M > 1, se aplica la
siguiente
transformación:
En particular, para evitar inversiones
consecutivas y cercanas de la dirección de rotación de los motores,
se introducen una o más funciones de histéresis
f^{j}_{H\_ROT} que generan señales respectivas
A^{j\_ROT} de control de la rotación del motor comenzando
desde las señales compuestas correspondientes
A^{j\_ROT}_{TOT} procedentes de la unidad 34 (posiblemente
cambiadas de escala mediante [10]):
La unidad de procesamiento de GPS 31, que recibe
datos generados por las subunidades 22 de interconexión con el
sensor GPS, procesa tales datos para compensar su resolución finita,
debida al sistema GPS de adquisición de posición. En particular,
los datos procedentes del sensor GPS son procesados mediante un
filtro digital de tipo FIR. El número de coeficientes de filtro y
su valor son parámetros del sistema adicionales y se calibran
preferentemente basándose en las características específicas de la
nave.
Con el fin de optimizar el sistema que funciona
para una nave específica es necesario determinar el conjunto de
parámetros de calibración óptima. Con este fin, se realizan
procedimientos de calibración (preferentemente, pero no
necesariamente, automáticos) que llegan, mediante la ejecución de
una serie de maniobras, a la determinación de parámetros óptimos.
Los procedimientos de calibración se realizan preferentemente
después de la instalación del sistema en una nave y/o cada vez que
cambios estructurales modifican las características de la nave y/o
periódicamente. Obviamente, para un mismo tipo de nave el conjunto
del conjunto ya determinado de parámetros óptimos es
sustancialmente el mismo y, por lo tanto, pueden ser establecidos
directamente sin necesidad de pruebas en el mar. Esto es
particularmente útil en caso de naves recién construidas o naves que
pertenecen a una clase para la que el sistema ya ha sido
calibrado.
La realización preferida del sistema según la
invención comprende dos procesos de calibración separados y
sucesivos para determinar, respectivamente, parámetros de
calibración de rotación y parámetros de calibración de traslación.
En particular, los dos procesos de calibración determinan, para cada
accionador implicado respectivamente en la rotación y en la
traslación, el número y la distribución de las instancias únicas de
la función del miembro de salida relacionado.
El procesos de calibración de rotación busca el
conjunto de parámetros (que definen las diversas funciones del
miembro de salida) que minimizan el movimiento del centro de masas
durante la rotación.
Con referencia a la figura 10, puede observarse
que tal proceso comprende una etapa 50 en la que el sistema según
la invención es inicializado con un conjunto inicial de parámetros
(es decir, con un conjunto de funciones del miembro de salida de
instancia única) capaces de producir una rotación aproximada de la
nave. El sistema permanece entonces esperando el movimiento de la
nave, cuyos datos se detectan en la etapa 51, llega al estado
estacionario y, si una etapa 52 de verificar el estado estacionario
da un resultado positivo, el sistema verifica en una etapa 53 que
se ha realizado (bajo estado estacionario) una rotación ROT (es
decir, un cambio del ángulo de guiñada) que es mayor que un umbral
mínimo predeterminado ROT^{MIN}(ROT>ROT^{MIN}),
suficiente para asegurar un análisis fiable de las características
del movimiento. Cuando la verificación 53 da un resultado positivo,
se calcula la distancia D^{ROT} recorrida por el baricentro de la
nave, indicativa del error de rotación, y su valor es evaluado en
una etapa de verificación 54: en el caso en que el error D^{ROT}
es inferior a un umbral máximo predeterminado
D^{ROT\_MAX}(D^{ROT}<D^{ROT\_MAX}) el conjunto de
parámetros usados es memorizado en una etapa 55 como el conjunto
óptimo, y el proceso de calibración termina; si no, en el caso en
que la distancia D^{ROT} recorrida por el baricentro de la nave es
mayor que el umbral máximo
D^{ROT\_MAX}(D^{ROT}>D^{ROT\_MAX}), el conjunto de
parámetros de calibración es modificado en una etapa 56 y el proceso
se repite desde la etapa de detección de movimiento 51.
La etapa 56 de modificación de los parámetros
funciona de la siguiente manera. Considerando la trayectoria
circular recorrida por el baricentro de la nave bajo estado
estacionario, existen dos posibles condiciones, que están
esquematizadas, respectivamente, en la figura 11a y 11b. En
particular, en la figura 11 la actitud de la nave está representada
esquemáticamente por la flecha 60, en la que H representa el ángulo
de la proa (que tiene amplitud positiva a lo largo de la dirección
angular de rotación, supuesta como rotación en sentido contrario a
las agujas del reloj en la figura 11), mientras que las
características de la trayectoria recorrida por el baricentro de la
nave están representadas esquemáticamente por:
- un vector 63 representativo de la velocidad
del baricentro de la nave el final de la rotación, cuya dirección
viene dada por el ángulo D (que tiene amplitud positiva a lo largo
de la dirección angular de rotación), y
- un círculo 62, que esquematiza la trayectoria
recorrida por el baricentro de la nave, cuyo diámetro es igual a la
distancia D^{ROT} recorrida por el baricentro de la nave durante
la rotación, y que es tangente al vector 63.
\vskip1.000000\baselineskip
Las dos posibles condiciones son:
- la nave gira la proa hacia el exterior del
círculo 62, es decir, H-D<0 (figura 11a); o
- la nave gira la proa hacia el interior del
círculo 62, es decir, H-D>0 (figura 11b).
\vskip1.000000\baselineskip
Suponiendo que la nave tiene un motor izquierdo
y un motor derecho, la etapa 56 modifica los parámetros de
calibración (es decir, en la realización preferida del sistema,
modifica las instancias únicas de las funciones del miembro de
salida asociadas con el estado estacionario de la rotación de la
nave) para disminuir el empuje del motor izquierdo THRUST^{SX} o
el empuje del motor derecho THRUST^{DX} (que en la etapa 50 han
sido inicializados preferentemente en un valor alto, todavía más
preferentemente el valor máximo) una cantidad predeterminada
\Delta_{THRUST}, preferentemente igual a la regulación mínima
del empuje de los motores, según la siguiente fórmula:
La fórmula [12] es inmediatamente adaptable a
casos en los que la nave está provista de un número y tipo
diferentes de medios de propulsión, en cualquier caso apropiados
para producir una rotación de la misma nave.
Cuando se termina el proceso de calibración de
los parámetros de rotación, se realiza el proceso de calibración
para determinar las instancias únicas de las funciones del miembro
de salida asociadas con la traslación de la nave. En particular, es
preferible que no se invierta el orden de los dos procesos, ya que
el proceso de calibración de traslación está basado en la capacidad,
por parte del sistema de control, de oponerse a las rotaciones no
deseadas, manteniendo fijo el ángulo de la proa.
El proceso de calibración de los parámetros de
traslación comienza desde un conjunto inicial de parámetros y lo
modifica adaptándolo a la nave. Como en el caso del proceso de
calibración de los parámetros de rotación, la calibración de los
parámetros de traslación está basada en una realimentación que
tiende a ajusta iterativamente los parámetros de traslación para
minimizar el error de la traslación realizada, usándose el conjunto
de parámetros determinados al final de una cierta iteración del
proceso como nuevo conjunto provisional hasta determinar el
conjunto óptimo (para el que el error es tolerable). La realización
preferida del proceso de calibración se repite para todas las
funciones de pertenencia de la función del miembro de salida de la
dirección de empuje en el sistema difuso, mostrado en la figura 7a;
en particular, aprovechando la simetría de proa a popa de la nave,
el proceso puede limitarse sólo a las funciones comprendidas entre 0
y \pi. Más en particular, el proceso de calibración de los
parámetros de traslación determina las funciones óptimas del miembro
de salida, es decir las instancias únicas de las funciones del
miembro de salida que producen la traslación de la nave a lo largo
de la dirección requerida exacta cuando esta corresponde a uno de
los valores centrales de las funciones de pertenencia de la función
del miembro de entrada de la dirección de empuje requerida, es
decir, cuando la dirección requerida es igual a 0, \pi/4,
\pi/2, 3\pi/4 y \pi. En estas direcciones sólo se activa una
función de pertenencia de la función de entrada (como se muestra en
la figura 7a), a la que debe corresponder la activación de sólo una
instancia única de la función de salida (como se muestra en la
figura 9) para cada accionador, por lo que el conjunto de valores
para ese accionador durante la calibración es justo el valor de la
instancia única.
Con referencia a la figura 12, el proceso
comprende una etapa 70 de inicialización del sistema con un conjunto
de parámetros de traslación (es decir, con un conjunto de funciones
del miembro de salida de instancia única) que llevan
aproximadamente a la nave a hacer una traslación a lo largo de la
dirección requerida. El sistema permanece esperando el movimiento
de la nave, cuyos datos son detectados en una etapa 71, llega a un
estado estacionario y, si una etapa 72 de verificar el estado
estacionario da un resultado positivo, el sistema verifica en una
etapa 73 que se ha realizado (bajo estado estacionario) una
traslación de cantidad D_{ADV} que es mayor que un umbral mínimo
predeterminado D^{ADV\_MIN}(D\_{ADV}>D^{ADV\_MIN}),
para hacer el error angular E_{C} aceptable en el cálculo de la
dirección de traslación C inducida por el error de posición
E_{POS}. En particular, como se muestra en la figura 13, como se
supone que D_{ADV}>>E_{POS}, se deduce en el peor caso (en
el que el error angular E_{C} es mayor, en módulo, que un valor
máximo E_{C\_MAX}):
Cuando la verificación 73 da un resultado
positivo, en una etapa 74 se calcula el error angular E_{\Delta
CI} de la dirección de traslación, igual a la diferencia entre la
dirección de movimiento establecida \vec{A} y la dirección de
movimiento \vec{I} detectada por los instrumentos de a bordo 3, y
se evalúa su valor: en el caso en que este error angular E_{\Delta
C} es inferior a un umbral máximo predeterminado E_{\Delta
C\_MAX}(E_{\Delta C}<E_{\Delta C\_MAX}), en una
etapa 75 se verifica si el módulo de la corrección \vec{T}_{E}
(determinada mediante la fórmula [1B]) hecha por la unidad de
procesamiento 30 es inferior a un umbral máximo predeterminado
42 y, en el caso en que tal verificación da un
resultado positivo, el conjunto de parámetros usados es memorizado
en una etapa 76 como el conjunto óptimo para la dirección de empuje
considerada, y termina el proceso de calibración para esa dirección
establecida específica. Por el contrario, en el caso en que al
menos una de las etapas 74 y 75 da un resultado negativo, el
conjunto de parámetros del sistema es modificado en una etapa 77,
suponiendo como nuevas instancias únicas del conjunto de las
funciones del miembro de salida los últimos valores establecidos
para los accionadores respectivos, y el proceso se repite desde la
etapa de detección de movimiento 71.
Las ventajas ofrecidas por el sistema según la
invención son evidentes.
En primer lugar, el sistema es sumamente
intuitivo para un usuario que pilota la nave, compensando
automáticamente los efectos de las corrientes, el viento y otras
posibles perturbaciones externas sobre el movimiento de la nave,
realizando el movimiento requerido o manteniendo la posición y la
orientación de la proa establecidas por el piloto.
Además, es aplicable, incluso modernizando, a
naves provistas de línea de ejes, motores de popa o motores
fueraborda, no requiriendo medios de maniobra auxiliares aparte de
los motores principales.
La presente invención ha sido descrita, a modo
de ilustración y no a modo de limitación, según su realización
preferida, pero debe entenderse que los expertos en la materia
pueden realizar variaciones y/o cambios, sin salir así del ámbito de
protección relacionado, como se define por las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (59)
1. Sistema de control automático de maniobra de
naves a motor, que comprende medios de mando seleccionables (1) y
medios electrónicos de procesamiento y de control (2, 10, 11, 12,
30, 31, 32, 33, 34, 35) conectados a los medios de mando
seleccionables (1), de los que recibe una o más señales de selección
de un movimiento y/o una posición de la nave (40) a la que se aplica
el sistema, siendo los medios electrónicos de procesamiento y de
control apropiados para enviar una o más señales de control a medios
accionadores (4) que controlan medios de propulsión y/o maniobra de
la nave (40), caracterizado porque los medios electrónicos de
procesamiento y de control están conectados además a medios sensores
(3) de la nave (40) de los que reciben una o más señales de
detección una o más señales de detección, procesando los medios
electrónicos de procesamiento y de control dichas una o más señales
de detección y dichas una o más señales de selección para generar
dichas una o más señales de control para hacer que los medios de
propulsión y/o maniobra produzcan un empuje y/o un momento
apropiados para hacer que la nave (40) asuma el movimiento y/o la
posición seleccionados por los medios de mando seleccionables (1),
por lo cual el sistema compensa sustancialmente en tiempo real
cualquier perturbación del movimiento y/o la posición
seleccionada.
2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios electrónicos de procesamiento
y de control generan dichas una o más señales de control para los
medios accionadores (4) según una lógica difusa, que tiene una
variable de salida para cada una de dichas una o más señales de
control.
3. Sistema según la reivindicación 2,
caracterizado porque dicha lógica difusa puede ser de tipo
Sugeno.
4. Sistema según la reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque dicha lógica difusa tiene lógica de
inferencia basada en el funcionamiento mínimo, el cálculo del
coeficiente de actividad basado en la suma de todas las activaciones
para una salida, y concretización basada en el método centroide.
5. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicha lógica
difusa, para al menos una variable de entrada o salida, usa un
conjunto de funciones de pertenencia que tienen forma idéntica y
uniformemente distribuidas por un intervalo de valores asumibles por
dicha al menos una variable de entrada o salida.
6. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque dicha lógica
difusa, para al menos una variable de salida, usa un conjunto de
funciones de pertenencia de tipo de instancia única.
7. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque dicha lógica
difusa, para al menos una variable de entrada o salida, usa un
conjunto de funciones de pertenencia dependiendo de uno o más
primeros parámetros de funcionamiento.
8. Sistema según la reivindicación 7,
caracterizado porque además comprende medios automáticos de
determinación del conjunto de funciones de pertenencia de una o más
variables de entrada y/o salida de dicha lógica difusa.
9. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios
electrónicos de procesamiento y de control comprenden:
- medios de procesamiento (30), que procesan
dichas una o más señales de detección y dichas una o más señales de
selección y calculan el valor de dicho empuje y/o el valor de dicho
momento;
- medios generadores de empuje (32), que reciben
dicho valor de empuje y generan una o más primeras señales
intermedias de control de empuje;
- medios generadores de momento (33), que
reciben dicho valor de momento y generan una o más segundas señales
intermedias de control de momento; y
- medios generadores de señales de control (34,
35), que reciben dichas una o más primeras señales intermedias de
control de empuje y dichas segundas señales intermedias de control
de momento y generan dichas una o más señales de control para los
medios accionadores (4).
\vskip1.000000\baselineskip
10. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque es
apropiado para funcionar según un primer modo operativo (MA) en el
que dichas una o más señales de control son generadas para hacer que
los medios de propulsión y/o maniobra produzcan dicho empuje y/o
dicho momento apropiados para hacer que la nave (40) asuma un
movimiento de traslación y/o un movimiento de rotación seleccionados
por los medios de mando seleccionables (1).
11. Sistema según la reivindicación 10, cuando
depende de la reivindicación 9, caracterizado porque, en el
primer modo operativo (MA), los medios de procesamiento (30)
calculan un versor 43 representativo de la dirección
de dicho empuje, basándose en
- un versor \vec{A} representativo de la
dirección de movimiento seleccionada por los medios de mando
seleccionables (1), y
- un vector \vec{I} representativo de la
velocidad de traslación detectada por los medios sensores (3),
mediante un control PID (Proporcional, Integral, Derivado) según la
fórmula ([1A]):
en la que el vector \vec{T}_{E}
viene dado por la fórmula
([1B]):
y
donde:
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{B}) y n, y
- TPK, TDK, y TIK y NI_{B} son un primero, un
segundo, un tercero y un cuarto parámetros de ajuste,
calculando los medios de procesamiento (30) el
versor \vec{S}_{1} según la fórmula ([1C]):
calculando además los medios de
procesamiento la intensidad TH de dicho empuje proporcionalmente a
al menos una de dichas una o más señales de
selección.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Sistema según la reivindicación 10, cuando
depende de la reivindicación 9, caracterizado porque, en el
primer modo operativo (MA), los medios de procesamiento (30)
calculan la dirección y la intensidad de dicho empuje como una suma
de un primer vector, que representa la dirección y la intensidad de
la traslación seleccionadas por los medios de mando seleccionables
(1), con un segundo vector, proporcional a la diferencia entre dicho
primer vector y un segundo vector que representa la dirección y la
intensidad de la traslación detectadas por los medios sensores
(3).
13. Sistema según la reivindicación 10, cuando
depende de la reivindicación 9, caracterizado porque, en el
primer modo operativo (MA), cuando los medios de mando
seleccionables (1) seleccionan que no haya rotación, los medios de
procesamiento (30) calculan dicho momento M mediante un control PID
según la fórmula ([3]):
donde
- \omega_{E} es igual al error entre el
ángulo de guiñada \omega_{I} detectado por los medios sensores
(3) y el ángulo de guiñada \omega seleccionado por los medios de
mando seleccionables (1):
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{M1}) y n, y
- NRPK, NRDK, NRIK y NI_{M1} son un quinto, un
sexto, un séptimo, y un octavo parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
14. Sistema según la reivindicación 10, cuando
depende de la reivindicación 9, caracterizado porque, en el
primer modo operativo (MA), cuando los medios de mando
seleccionables (1) seleccionan una rotación R_{C}, los medios de
procesamiento (30) calculan dicho momento M mediante un control PID
según ([5]):
donde
- R_{E} es igual al error entre la rotación
seleccionada R_{C} y la velocidad de rotación \frac{d\omega}{dt}
detectada por los medios sensores (3):
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{M2}) y n, y
- RPK, RDK, RIK y NI_{M2} son un noveno, un
décimo, un undécimo y un duodécimo parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
15. Sistema según la reivindicación 9,
caracterizado porque los medios de procesamiento (30)
calculan además un parámetro de control KTM que es enviado al medio
de composición de fuerzas (34), que lo usa al generar dichas una o
más señales de control para los medios accionadores (4) para asignar
un peso a dichas segundas señales intermedias de control de momento
con respecto a dichas una o más primeras señales intermedias de
control de empuje, calculándose el parámetro de control KTM como una
función de la R_{C} seleccionada por los medios de mando
seleccionables (1) según la fórmula ([6]):
donde
- R_{E} es igual al error entre la rotación
seleccionada R_{C} y la velocidad de rotación
\frac{d\omega}{dt} detectada por los medios sensores (3):
- \omega_{E} es igual al error entre el
ángulo de guiñada \omega_{I} detectado por los medios sensores
(3) y el ángulo de guiñada \omega seleccionado por los medios de
mando seleccionables (1):
- TMRFG y TMHFG son un decimotercer y un
decimocuarto parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
16. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque es
apropiado para funcionar según un segundo modo operativo (PH) en el
que dichas una o más señales de control son generadas para hacer que
los medios de propulsión y/o maniobra produzcan dicho empuje y/o
dicho momento apropiados para hacer que la nave (40) mantenga una
posición y/o un ángulo de la proa seleccionados por los medios de
mando seleccionables (1).
17. Sistema según la reivindicación 16,
caracterizado porque dichas una o más señales de control son
generadas cuando las desviaciones de la posición y/o el ángulo de la
proa detectados por los medios sensores (3) respecto a la posición
y/o el ángulo de la proa seleccionados por los medios de mando
seleccionables (1) son mayores que un primer y un segundo umbral
máximo, respectivamente.
18. Sistema según la reivindicación 16 ó 17,
caracterizado porque dichas una o más señales de control son
generadas dando prioridad al mantenimiento de la posición.
19. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 18, cuando dependen de la reivindicación 9,
caracterizado porque, en el segundo modo operativo (PH), los
medios de procesamiento (30) calculan un vector \vec{S}
representativo de dicho empuje mediante un control PID según la
fórmula ([7]):
donde
- \vec{C} es un vector representativo de un
movimiento corrector, igual a la diferencia entre un vector
1000 representativo de la posición seleccionada por
los medios de mando seleccionables (1), y un vector
1001 representativo de la posición detectada por los
medios sensores (3):
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{S}) y n, y
- PHPK, PHDK, PHIK y NI_{S} son un
decimoquinto, un decimosexto, un decimoséptimo y un decimoctavo
parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
20. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 18, cuando dependen de la reivindicación 9,
caracterizado porque, en el segundo modo operativo (PH), los
medios de procesamiento (30) calculan dicho momento M mediante un
control PID según la fórmula ([5]):
donde
- R_{E} es igual al error entre la rotación
seleccionada R_{C} y la velocidad de rotación
\frac{d\omega}{dt} detectada por los medios sensores (3):
- el índice n indica la muestra del instante
actual,
- el índice d indica una muestra en un instante
que precede al actual,
- el índice t de la suma está comprendido entre
(n-NI_{M2}) y n, y
- RPK, RDK, RIK y NI_{M2} son un noveno, un
décimo, un undécimo y un duodécimo parámetros de ajuste.
\vskip1.000000\baselineskip
21. Sistema según la reivindicación 9, cuando
depende de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8,
caracterizado porque los medios generadores de empuje (32)
generan cada una de dichas una o más primeras señales intermedias de
control de empuje como una variable de salida concretizada calculada
mediante dicha lógica difusa, empleando como variables de entrada la
dirección y la intensidad de dicho valor de empuje.
22. Sistema según la reivindicación 9, cuando
depende de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8,
caracterizado porque los medios generadores de momento (33)
generan cada una de dichas una o más segundas señales intermedias de
control de momento como una variable de salida concretizada
calculada mediante dicha lógica difusa, empleando como variables de
entrada la intensidad de dicho valor de momento.
23. Sistema según la reivindicación 9,
caracterizado porque los medios generadores de señales de
control (34, 35) comprenden un medio de composición de fuerzas (34)
que genera al menos una señal compuesta A^{j}_{TOT}, que
corresponde a una de dichas una o más señales de control para los
medios accionadores (4), mediante la suma de una primera señal
intermedia correspondiente A^{j}_{TG}, a partir de dichas
una o más primeras señales intermedias de control de empuje, con una
segunda señal intermedia correspondiente A^{j}_{MG}, a
partir de dichas segundas señales intermedias de control de
momento:
24. Sistema según las reivindicaciones 15 y 23,
caracterizado porque el medio de composición de fuerzas (34)
genera dicha al menos una señal compuesta A^{j}_{TOT}
ponderando las contribuciones a dicha suma, dadas por la primera
señal intermedia correspondiente A^{j}_{TG} y por la
segunda señal intermedia correspondiente A^{j}_{MG},
mediante el parámetro de control KTM según la fórmula ([8]):
25. Sistema según la reivindicación 9,
caracterizada porque los medios generadores de señales de
control (34, 35) comprenden medios de control (35) apropiados para
controlar y dar los valores de dichas una o más señales de control
para los medios accionadores (4).
26. Sistema según la reivindicación 25,
caracterizado porque los medios de control (35) impiden que
al menos una señal de control de rotación de un motor, de dichas una
o más señales de control para los medios accionadores (4), produzca
cambios bruscos de la condición de rotación de dicho motor.
27. Sistema según la reivindicación 25,
caracterizado porque los medios de control (35) impiden que
al menos una señal (A^{j\_ROT} de control de rotación de
un motor, de dichas una o más señales de control para los medios
accionadores (4), produzca inversiones consecutivas y cercanas de la
dirección de rotación de dicho motor.
28. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 27 en combinación con una cualquiera de las
reivindicaciones 23 y 24, caracterizado porque al menos una
señal compuesta A^{j}_{TOT} generada por el medio de
composición de fuerzas (34) es modificada por un filtro de respuesta
de impulso finito o filtro FIR digital.
29. Sistema según la reivindicación 28,
caracterizado porque dicho filtro FIR depende de uno o más
segundos parámetros de funcionamiento.
30. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 29 en combinación con una cualquiera de las
reivindicaciones 23 y 24, caracterizado porque al menos una
señal compuesta A^{j}_{TOT} generada por el medio de
composición de fuerzas (34) es cambiada de escala.
31. Sistema Siempre según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 30 en combinación con una cualquiera de las
reivindicaciones 23 y 24, caracterizado porque el valor
A^{j} de al menos una señal de control para los medios
accionadores (4) está dada por una función de histéresis respectiva
f^{j}_{H} de una señal compuesta correspondiente
A^{j}_{TOT} generada por el medio de composición de fuerzas
(34) ([11]):
32. Sistema según la reivindicación 31,
caracterizado porque dicha función de histéresis
f^{j}_{H} depende de uno o más terceros parámetros de
funcionamiento.
33. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque funciona
según al menos un parámetro de funcionamiento o ajuste determinable
mediante al menos un proceso de calibración.
34. Sistema según cada una de las
reivindicaciones 7 y 33, cuando dependen de la reivindicación 6,
caracterizado porque dicho al menos un parámetro determinable
es uno de dichos uno o más primeros parámetros de funcionamiento que
definen una instancia única de una variable de salida de dicha
lógica difusa.
35. Sistema según la reivindicación 33 ó 34,
caracterizado porque dicho al menos un proceso de calibración
es automático.
36. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende
además medios de multiplexación (13), conectados a los medios
electrónicos de procesamiento y de control desde los cuales es
apropiado recibir como entrada al menos una parte de dichas una o
más señales de control, estando conectados los medios de
multiplexación (13) además a la entrada a uno o más instrumentos de
control (3), con los que está provista la nave (40), cada uno de los
cuales es apropiado para generar una o más señales de control
adicionales que corresponden a dicha al menos una parte de dichas
una o más señales de control generadas por los medios electrónicos
de procesamiento y de control, estando conectados los medios de
multiplexación (13) a la salida a los medios accionadores (4), por
medio de la cual los medios de multiplexación (13) transmiten
alternativamente a los medios accionadores (4) las señales de
entrada procedentes de los medios electrónicos de procesamiento y de
control o de dichos uno o más instrumentos de control (3).
37. Sistema según la reivindicación 36,
caracterizado porque los medios de multiplexación (13) son
seleccionables, por lo que pueden seleccionarse las señales de
entrada que hay que transmitir a la salida.
38. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios
de mando seleccionables (1) envían a los medios electrónicos de
procesamiento y de control (2, 10, 11, 12, 30, 31, 32, 33, 34, 35)
una o más señales de selección de un movimiento de traslación y/o de
un movimiento de rotación y/o de una posición y/o de una actitud de
la nave (40).
39. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios
de mando seleccionables comprenden al menos una unidad de mando (1)
que comprende una palanca de mando y/o un dispositivo apuntador y/o
un dispositivo de palanca o bastón de control y/o una pantalla
táctil y/o un dispositivo informatizado de mando por voz y/o un
teclado numérico y/o un radiocontrol.
40. Sistema según la reivindicación 39,
caracterizado porque al menos una unidad de mando (1) está
conectada a los medios electrónicos de procesamiento y de control
(2, 10, 11, 12, 30, 31, 32, 33, 34, 35) a través de una conexión
inalámbrica.
41. Sistema según la reivindicación 40,
caracterizado porque dicha conexión inalámbrica es una
conexión según la tecnología WiFi.
42. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende
además medios de visualización y/o medios de señalización acústica
y/o visual.
43. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios
sensores (3) comprenden un sensor de posición por GPS y/o un compás
electrónico y/o un anemómetro y/o un medidor de corriente
líquida.
44. Método de control automático de maniobra de
naves a motor, apropiado para ser ejecutado por los medios
electrónicos de procesamiento y de control (2, 10, 11, 12, 30, 31,
32, 33, 34, 35) de un sistema de control automático de maniobra de
naves a motor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 43,
que comprende las etapas de:
A. recibir una o más señales de selección de un
movimiento y/o una posición de la nave (40) procedentes de los
medios de mando seleccionables (1), y
D. enviar una o más señales de control a medios
accionadores (4) que controlan medios de propulsión y/o maniobra de
la nave (40);
estando caracterizado el método porque
además comprende las siguientes etapas:
B. recibir una o más señales de detección
procedentes de medios sensores (3) de una nave, y
C. procesar dichas una o más señales de
detección y dichas una o más señales de selección para generar
dichas una o más señales de control para hacer que los medios de
propulsión y/o maniobra produzcan un empuje y/o un momento
apropiados para hacer que la nave (40) asuma el movimiento y/o la
posición seleccionados por los medios de mando seleccionables (1),
por medio de lo cual el sistema compensa sustancialmente en tiempo
real cualquier perturbación del movimiento y/o posición
seleccionados.
\vskip1.000000\baselineskip
45. Método según la reivindicación 44,
caracterizado porque la etapa C genera dichas una o más
señales de control según una lógica difusa, que tiene una variable
de salida para cada una de dichas una o más señales de control.
46. Método según la reivindicación 45,
caracterizado porque dicha lógica difusa puede ser de tipo
Sugeno.
47. Método según la reivindicación 45 ó 46,
caracterizado porque dicha lógica difusa tiene lógica de
inferencia basada en el funcionamiento mínimo, el cálculo del
coeficiente de actividad basado en la suma de todas las activaciones
para una salida, y concretización basada en el método centroide.
48. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 45 a 47, caracterizado porque dicha lógica
difusa, para al menos una variable de entrada o salida, usa un
conjunto de funciones de pertenencia que tienen forma idéntica y
uniformemente distribuidas por un intervalo de valores asumibles por
dicha al menos una variable de entrada o salida.
49. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 45 a 48, caracterizado porque dicha lógica
difusa, para al menos una variable de salida, usa un conjunto de
funciones de pertenencia de tipo de instancia única.
50. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 45 a 49, caracterizado porque dicha lógica
difusa, para al menos una variable de entrada o salida, usa un
conjunto de funciones de pertenencia dependiendo de uno o más
primeros parámetros de funcionamiento.
51. Método según la reivindicación 50,
caracterizado porque comprende además una etapa preliminar de
determinar automáticamente el conjunto de funciones de pertenencia
de una o más variables de entrada y/o salida de dicha lógica
difusa.
52. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 44 a 51, caracterizado porque la etapa C
comprende las siguientes subetapas:
C.1 procesar dichas una o más señales de
detección y dichas una o más señales de selección y calcular el
valor de dicho empuje y/o el valor de dicho momento,
C.2 Generar, a partir de dicho valor de empuje,
una o más primeras señales intermedias de control de empuje,
C.3 Generar, a partir de dicho valor de momento,
una o más segundas señales intermedias de control de momento, y
C.4 Generar, a partir de dichas una o más
primeras señales intermedias de control de empuje y dichas segundas
señales intermedias de control de momento, dichas una o más señales
de control.
\vskip1.000000\baselineskip
53. Método según la reivindicación 52, cuando
depende de una cualquiera de las reivindicaciones 45 a 51,
caracterizado porque la subetapa C.2 genera cada una de
dichas una o más primeras señales intermedias de control de empuje
como variable de salida concretizada calculada mediante dicha lógica
difusa, empleando como variables de entrada la dirección y la
intensidad de dicho valor de empuje.
54. Método según la reivindicación 52, cuando
depende de una cualquiera de las reivindicaciones 45 a 51,
caracterizado porque la subetapa C.2 genera cada una de
dichas una o más segundas señales intermedias de control de momento
como variable de salida concretizada calculada mediante dicha lógica
difusa, empleando como variables de entrada la dirección y la
intensidad de dicho valor de momento.
55. Proceso de calibración de uno o más
parámetros de funcionamiento o ajuste de un sistema de control
automático de maniobra de naves a motor según una cualquiera de las
reivindicaciones 33 a 35, estando relacionados dichos uno o más
parámetros con la generación de una o más señales de control
apropiadas para hacer que los medios de propulsión y/o maniobra
produzcan una rotación de la nave (40), comenzando el proceso desde
un conjunto inicial de dichos uno o más parámetros de rotación,
estando caracterizado el proceso porque comprende la
siguiente etapa:
J. producir una o más señales de selección de un
movimiento de rotación, para hacer que el sistema genere una o más
señales de control,
K. calcular la distancia D^{ROT} recorrida por
el baricentro de la nave (40),
L. verificar si la distancia D^{ROT} es más
corta que un umbral máximo predeterminado D^{ROT\_MAX},
M. en el caso en que la etapa L da un resultado
positivo, memorizar el conjunto de parámetros de rotación usados por
el sistema para generar dichas una o más señales de control y
terminar el proceso,
N. en el caso en que la etapa L da un resultado
negativo, modificar uno o más parámetros de rotación para reducir la
distancia D^{ROT} y repetir el proceso comenzando desde la etapa
J.
\vskip1.000000\baselineskip
56. Proceso según la reivindicación 55,
caracterizado porque la etapa N comprende las siguientes
subetapas:
N.1 verificar si la nave (40) gira la proa hacia
el exterior de un círculo cuyo diámetro es igual a la distancia
D^{ROT} y que es tangente a un vector (63) representativo de la
velocidad del baricentro de la nave al final de la rotación, estando
situado dicho círculo dentro del semiplano al que pertenece la
posición del baricentro al comienzo de la rotación,
N.2 en el caso en que la subetapa N.1 da un
resultado positivo, modificar dichos uno o más parámetros de
rotación para reducir el empuje hacia la izquierda, con respecto al
empuje hacia la derecha, de los medios de propulsión y/o maniobra de
la nave (40), y
N.3 en el caso en que la subetapa N.1 da un
resultado negativo, modificar uno o más parámetros de rotación para
reducir el empuje hacia la derecha, con respecto al empuje hacia la
izquierda, de los medios de propulsión y/o maniobra de la nave
(40).
\vskip1.000000\baselineskip
57. Proceso de calibración de uno o más
parámetros de funcionamiento o ajuste de un sistema de control
automático de maniobra de naves a motor según una cualquiera de las
reivindicaciones 33 a 35, estando relacionados dichos uno o más
parámetros con la generación de una o más señales de control
apropiadas para hacer que los medios de propulsión y/o maniobra
produzcan una traslación de la nave (40), comenzando el proceso
desde un conjunto inicial de dichos uno o más parámetros de
traslación, estando caracterizado el proceso porque
comprende, para al menos una dirección de traslación, la siguiente
etapa:
P. producir una o más señales de selección de un
movimiento de traslación, para hacer que el sistema genere una o más
señales de control,
Q. calcular el error angular E_{\Delta CI} de
la dirección de traslación seguida realmente por la nave (40),
detectada por los medios sensores (3), con respecto a la dirección
del movimiento de traslación seleccionado,
R. verificar si el error angular E_{\Delta CI}
es inferior a un umbral máximo predeterminado E_{C\_MAX},
S. en el caso en que la etapa R da un resultado
positivo, memorizar el conjunto de parámetros de traslación usados
por el sistema para generar dichas una o más señales de control y
terminar el proceso,
T. en el caso en que la etapa R da un resultado
negativo, modificar dichos uno o más parámetros de traslación para
reducir la desviación angular E_{C} y repetir el proceso
comenzando desde la etapa P.
\vskip1.000000\baselineskip
58. Proceso según la reivindicación 57,
caracterizado porque la etapa S memoriza el conjunto de
parámetros de traslación usados por el sistema para generar dichas
una o más señales de control sólo si un vector representativo de una
corrección de dicha traslación, que es inducido por los medios
electrónicos de procesamiento y de control (30), es de módulo
inferior a un umbral máximo predeterminado respectivo TM_{MAX}, si
no, se ejecuta la etapa T.
59. Nave (40), que comprende medios accionadores
(4), que controla medios de propulsión y/o maniobra, y medios
sensores (3), caracterizada porque está provista del sistema
de control automático de maniobra de naves a motor según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 43.
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