NO338838B1 - Fremgangsmåte for automatisk styring av posisjonering av fartøy, og regulator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for automatisk styring av fartøy-posisjonsholding og en styreenhet for automatisk fartøyposisjonering og især en fremgangsmåte for automatisk styring av fartøyposisjonsholding, en fremgangsmåte for estimering av bølgedrivkraft, en styreenhet for automatisk fartøyposisjonsholding og et dynamisk posisjoneringssystem som drastisk kan redusere avvikelser i et fartøys posisjon ved å utføre forovermatestyring som estimerer minst en av bølgedrivkraft og bølgedriftmoment forårsaket av bølger og kompenserer for minst en av den estimerte bølgedrivkraft og bølgedriftmomentet eller ved å utføre forovermatestyring som estimerer en langtidsvarierende kraft som omfatter en varierende bølgedriftskraft fra bølger og kompenserer for den estimerte langtidsvarierende kraft.

En DPS (dynamisk posisjoneringssystem) er en innretning som automatisk holder et fartøy på sjøen i en stasjonær posisjon mot ytre krefter, f.eks. tidevann, vind og bølger ved å regulere en propell og en styrepropell som drives av en datamaskin snarere enn med et anker mens et skip/marin struktur er opptatt med undersøkelser eller utvikling på sjøen. Med denne innretning blir en aktuator, f.eks. en styrepropell normalt regulert, slik at avvikelsen mellom en målposisjon og gjeldende posisjon blir null og hvor fartøyet holdes i en stasjonær posisjon av denne styrekraften.

Denne automatiske holdeinnretning for fartøys posisjon er særlig effektiv i sjøområder hvor det ikke kan brukes anker. Bruk av arbeidsbåter, forskningsfartøy, marine strukturer og lignende for sjøutvikling er stadig økende og sjøområder for boring i sjøbunnen etter ressurser, sjøundersøkelser og lignende foregår på stadig større dybder.

Hvis store miljøvariasjoner oppstår, som f.eks. i grov sjø, blir tilbakemeldingsstyring utført etter påvisning av posisjonsavvikelser hvoretter forsinkelser i kontrollen kan oppstå. Således blir den automatiske fartøysposisjonskontrollen ikke alltid utført med tilstrekkelig nøyaktighet. Men hensyn til vindtrykk, blir en styring hvor en kraft og et moment fra en vind som virker mot fartøyet beregnet basert på en vindretning og en vindhastighet målt med en vindretnings/vindhastighetsindikator og vindtrykket og vindtrykksmomentet blir kompensert for før det genereres en posisjonsavvikelse, dvs. at det brukes en såkalt forovermatningsstyring.

På en annen side kan det sies at bølgekraften og momentet blir delt i en kraft og et moment kalt bølgeeksiteringskraft og et bølgeeksiteringsmoment som varierer med bølgeperioden (positiv/negativ variering) og en bølgedriftskraft og et bølgedritfsmoment som skyver fartøyet i en bestemt retning og som varierer over en lengre tidsperiode. Bølgedritfskraften og bølgedritfsmomentet har relativ lang varighet men varierer i størrelse. Akkurat som vindtrykket og vindtrykksmomentet, kan følgelig bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet negativt påvirke DPS-posisjonskontrollen. Med den automatiske holdestyring for fartøysposisjonen som tar hensyn til bølgedritfskraften og bølgedriftsmomentet, blir dette følgelig viktig.

Med konvensjonelle, dynamiske posisjoneringssystem blir det imidlertid ikke foretatt noen spesielle tiltak for å variere bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet. Selv ved en stor bølgedriftskraft og et stort bølgedritfsmoment, vil en varierende bølgedriftskraft og varierende bølgedritfsmoment virke på fartøyet og tilbakemeldingsstyringen vil ikke virke før posisjoneringsavvikelsen og fremdriftsavvikelsen blir betydelig. Som resultat vil det oppstå en forsinkelse i styringen og posisjonsavvikelsen og fremdriftsavvikelsen vil øke. Således er det nødvendig å utføre forovermatnings-kontrollen som beregner bølgedritfskraften, bølgedriftsmomentet, den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedritfsmoment og kompensere for bølgedritfskraften, bølgedriftsmomentet, den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedritfsmoment.

Imidlertid fins det ingen anordning for å måle fysiske størrelser for bølger som gjør det mulig å beregne bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet som f.eks. en vindremings/vindhastighetsindikator som gjør det mulig å beregne vindtrykket og vindtrykksmomentet. Således er det et problem ved at bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet sammen med den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmomentet ikke kan utnyttes lett for styring.

Som beskrevet i det Japanske patentskrift Kokai Publication nr. 2002-234494, er det foreslått en automatisk skipsstyringsinnretning hvor størrelsen av denne, f.eks. en brannbåt blir redusert for å forbedre styringsevnen. Med den automatiske skipsstyringsinnretning, blir det brukt en forover/bakover propell og en styrepropell som drives av en spake og en styreanordning for å realisere en holdefunksjon som holder skipet i posisjon påvist av en påvisningsanordning gjennom bruk av en bryter for å holde et stasjonært punkt.

Dette automatiske holdesystem for stasjonært punkt av den automatiske skipsstyreinnretning, har en holdefunksjon/fremdriftsholdefunksjon for skipets posisjon og driver fremdriftskraften for en forover/bakover propell, og styrepropellen genererer en fremdriftskraft i sideretningen, slik at verdiene blir null ved påvisning av høyre og venstre posisjonsavvikelse, forover og bakover posisjonsavvikelse og fartøyets fremdriftsavvikelse. Imidlertid er ikke algoritmen beskrevet utførlig. Det fins heller ikke noen beskrivelse av bølger og bølger blir ikke tatt i betraktning.

Aalbers et al, Journal of Robust and nonlinear Control 2001 viser en fremgangsmåte og styreenhet for automatisk styring av fartøysposisjonsholding for å holde en fartøysposisjon og en fartøyskurs for et fartøy på sjøen. Styringen av fartøysposisjonsholdingen utføres med en styring hvor minst én av bølgedriftskraft og et bølgedritfsmoment forårsaket av bølger blir beregnet, og en forovermatestyring blir utført for minst én av den beregnet bølgedriftskraft og bølgedritfsmoment

Som videre beskrevet i det japanske patentskrift Kokai Publication nr. H06-64589, er det foreslått en holdefremgangsmåte for automatisk fartøysposisjon hvor det ikke er behov for en styrepropell i stavnen og en propell er av denne faste typen som brukes i en enkelt foroverretning. I denne fremgangsmåte blir avvikelse av fartøyets posisjon og holdning ut fra bestemte posisjoner beregnet og forover/bakoverpropellen i kombinasjon med to styreror og en baugstyrepropell blir regulert slik at fartøyet holdes i en bestemt posisjon. I denne holdemetode for fartøyets posisjon blir kraften og retningen av vind og tidevann tatt i betraktning, men ikke bølger.

Patentdokument 1: Japanske patentskrift Kokai Publication nr. 2002-234494

Patentdokument 2: Japanske patentskrift Kokai Publication nr. H06-64589.

Oppfinnelsen ble gjort for å løse ovennevnte problemer og har et formål med å tilveiebringe en fremgangsmåte for automatisk styring for fartøysposisjonsholding, for å holde en fartøysposisjon og en fartøyskurs for et fartøy på sjøen, hvor en styring av fartøysposisjonsholdingen utføres med en styring hvor minst én av bølgedriftskraft og et bølgedritfsmoment forårsaket av bølger blir beregnet, og en forovermatestyring blir utført for minst én av den beregnede bølgedriftskraft og bølgedriftsmoment, hvor bølgene som faller inn på fartøyet blir estimert fra en bevegelse av fartøyet, og minst én av bølgedritfskraften og bølgedritfsmomentet blir beregnet fra de estimerte bølger hvor,en stamperepresentativ periode blir beregnet fra en stampemålt tidsrekke, en bølgeinnfallsvinkel blir estimert fra et målt responsforhold mellom en målt stamp og en målt rulling basert på den stamperepresentative periode ved å bruke en bølgeinnfallsvinkelestimeringstabell forberedt på forhånd, en stamperesponsverdi blir beregnet fra den stamperepresentative periode og bølgeinnfallsvinkelen ved å bruke en stamperesponsverditabell i korte, uregelmessige bølger med liten høyde forberedt på forhånd, hvor en estimert tidsrekke av bølger blir beregnet ved å multiplisere den stampemålte tidsrekke med den inverse av stamperesponsverdien, og minst én av bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet blir beregnet ut fra den estimerte tidsrekke av bølger.

Ifølge den automatiske holdestyrefremgangsmåte for fartøyposisjon med denne konfigurasjon og før fartøyet blir flyttet av bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet, blir minst enten bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet som virker på fartøyet beregnet og forovermatestyringen utføres for å kompensere for minst enten bølgedritfskraften eller bølgedriftsmomentet. Følgelig kan posisjonsavvikelsen av fartøyet (forskjellen mellom gjeldende posisjon og målposisjonen) reduseres vesentlig sammenlignet med den konvensjonelle, automatiske fartøysposisjonsstyring.

I den ovennevnte fremgangsmåte for automatisk fartøysposisjonsstyring, blir bølger som virker på fartøyet beregnet fra fartøyets bevegelse og minst enten bølgedriftskraften eller bølgedritfsmomentet blir beregnet ut fra de beregnede bølger. Denne bølgedriftskraft og bølgedriftsmomentet kan beregnes omtrent ifølge Hsu sin fremgangsmåte eller Pinksters fremgangsmåte ved å bruke en stasjonær bølgedrifts-kraft i vanlige bølger.

I ovennevnte automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding, blir en bølgehøyde som representerer perioden beregnet ut fra en rekke bølgehøydemålinger og basert på den representative periode for høyden, blir en bølgevinkel beregnet ut fra måleresponsforholdet mellom den målte høyde og den målte rulling ved å bruke bølgeinnfallingsvinkelberegningstabellen som er utarbeidet på forhånd, hvor en bølgehøyderesponsverdi blir beregnet ut fra bølgehøydeperioden og bølgeinnfall-svinkelen ved å bruke bølgehøyderesponskoeffisienttabellen i korte uregelmessige bølger utarbeidet på forhand, idet en beregnet tidsrekke av bølger blir beregnet ved å multiplisere bølgehøyde tidsrekken med den omvendte bølgehøyderesponsverdi og minst enten bølgedritfskraften og bølgedriftsmomentet blir beregnet ut fra den beregnede tidsrekke av bølgene.

Ifølge beregningsmåten for minst enten bølgedriftskraften eller bølgedriftsmomentet, blir bølgenes tidsrekke beregnet ut fra fartøyets bevegelse og minst enten bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet kan beregnes ut fra den beregnede tidsrekke av bølger. For minst enten bølgedritfskraften eller bølgedrifts-momentet, kan forovermatestyringen for den automatiske fartøysposisjonsholding utføres.

Også i ovennevnte automatiske styremåte for fartøysposisjonsholding, og under beregning av minst enten bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet ut fra perioden mellom null kryss i ovennevnte beregnede tidsrekke av bølger og bølge-høyden mellom de null kryssene, blir minst enten bølgedriftskraften eller bølgedrifts-momentet tilsvarende perioden og bølgehøyden per halvbølgelengde og minst enten bølgedritfskraften og bølgedritfsmomentet i vanlige bølger satt som minst enten bølgedritfskraften eller bølgedriftsmomentet.

Ifølge beregningsfremgangsmåten av bølgedritfskraften og bølgedrifts-momentet ut fra den beregnede tidsrekke av bølger med Hsu sin metode, kan bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet beregnes ved en relativt enkel algoritme sammenlignet med Pinksters fremgangsmåte. I Hsu sin metode, anses de uregelmessige bølger som en rekke vanlige bølger hvis periode og bølgehøyde er endrende per halvbølgelengde mellom null kryss og en stasjonær bølgedriftskraft tilsvarende de respektive, regelmessige bølger virker under halvbølgelengdene. Bølgedritfskraften blir gitt som en stepp funksjon som virker under passeringen av halvbølgelengden. Beregningen av bølgedriftskraften kan gjøres relativt lett hvis en bølgedritfskraft-koeflisient i vanlige bølger blir forberedt på forhånd. Med Pinksters fremgangsmåte, og siden en integreringsberegning med en stasjonær bølgedriftskraft i vanlige bølger utføres for hver frekvenskomponent av bølger for å oppnå bølgedriftskraften, blir beregningen mer komplisert enn Hsu sin fremgangsmåte.

I bølgedriftskraftberegningen i forbindelse med ovennevnte automatiske fartøysposisjonsstyring, blir en stigningsrepresentativ periode beregnet ut fra en stigningsmålt tidsrekke i en bølgedriftskraftberegning for å beregne minst enten bølgedriftskraften eller bølgedriftsmomentet som virker på fartøyet på sjøen på basis av den stigningsrepresentative periode og det målte responsforholdet mellom den målte stigning og den målte rulling, idet en bølgeinnfallsvinkel blir beregnet ved å bruke en tabell for bølgeinnfallsvinkelberegning på forhånd, idet en stigningsresponsverdi blir beregnet ut fra den stigningsrepresentative periode og bølgeinnfallsvinkelen ved å bruke en tabell for stigningsresponskoeffisienten i en kort bølgetopp for uregelmessige bølger utarbeidet på forhand og ved å multiplisere den stigningsmålte tidsrekke med inversen av stigningsresponsverdien, idet den beregnede tidsrekke av bølger blir beregnet for å beregne minst enten bølgedritfskraften eller bølgedritfsmomentet ut fra den beregnede tidsrekke av bølger. Med denne beregningsmåte for bølgedritfskraften, blir en tidsrekke av bølger beregnet ut fra fartøyets bevegelse hvor minst enten bølgedriftskraften eller bølgedriftsmomentet kan beregnes ut fra den beregnede tidsrekke av bølger.

Ifølge den automatiske styring av fartøyets posisjonsholding og bølgedrifts-kraftens beregningsmåte, kan minst enten bølgedritfskraften eller bølgedritfsmomentet som virker på fartøyet beregnes. Siden forovermatestyringen for å kompensere for minst enten bølgedritfskraften eller bølgedritfsmomentet blir utført, kan videre posisjonsavvikelsen og fremdriftsavvikelsen av fartøyet drastisk reduseres sammenlignet med den konvensjonelle, automatiske fartøysposisjonsholdestyring.

Alternativt er den automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding ifølge oppfinnelsen for å oppnå ovennevnte formål automatisk for å holde et fartøys posisjon og et fartøys fremdrift i en bestemt posisjon og ved en bestemt fremdrift ved å regulere en fremdriftskratfgenererende innretning på sjøen og som karakteriseres ved at en langtidsperiodisk varierende kraft og et langtidsperiodisk varierende moment, i forhold til en virkende kraft og et virkende moment på et fartøy omfatter minst enten en varierende bølgedriftskraft og et varierende bølgedriftsmoment i en lang periode som genereres av bølger og som beregnes og ved at en styring for å holde et fartøys posisjon utføres gjennom forovermatningsstyring av en styrekraft og et styremoment generert av den fremdriftskratfgenererende innretning for den beregnede langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment.

Ved denne automatiske styrefremgangsmåte for å holde et fartøys posisjon ifølge oppfinnelsen, kan styringen utføres under hensyntagen til en varierende bølgedriftskraft og et varierende bølgedritfsmoment som ikke har blitt vurdert. Siden forovermatestyringen utføres for den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment herunder minst enten den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmoment frembrakt ved beregning, kan posisjonsavvikelsen vesentlig reduseres sammenlignet med den konvensjonelle tilbakemeldingskontroll.

I ovennevnte styremetode for fartøysposisjonsholding, blir en virkende kraft og et virkende moment som virker på fartøyet innhentet av en akselerering og vinkelakselerering av fartøyet i forhold til den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment og ved å multiplisere akselerasjonen og vinkelakselerasjonen av et skrogs virtuelle masse og et skrogs virtuelle treghetsmoment og en verdi innhentet ved å subtrahere en generert fremdriftskraft og et generert moment generert av fremdriftskraftens genereringsinnretning ut fra den virkende kraft og det virkende moment satt som beregnede verdier av den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment. Ifølge denne konfigurasjon kan den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, herunder minst enten den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedritfsmoment beregnes med en relativt enkel algoritme.

Det vil si at den virkende kraft og det virkende moment som virker på fartøyet kan oppnås ved å multiplisere fartøyets akselerasjon og fartøyets vinkelakselerasjon med den virtuelle masse og det virtuelle inerte moment av fartøyet. På en annen side kan den virkende kraft (heretter også omfattet momentet) som virker på fartøyet divideres til en miljømessig ytre kraft, f.eks. en bølgeeksiterende kraft, en varierende bølgedriftskraft av bølger, et skrogs hydrodynamiske kraft som er en reaksjonskraft forårsaket av et fluid på grunn av fartøyets bevegelse, et vindtrykk fra vind, en tidestrømskraft forårsaket av tidevann og lignende og en styrekraft (aktuatorkraft) generert av en fremdriftskraftgenereringsinnretning (aktuator), f.eks. en styrepropell. En reaksjonskraft fra et stigerør eller lignende fra et stigerør for sjøbunnsboring blir håndtert som en del av den miljøeksterne kraft.

Ved å subtrahere den kjente styrekraft og det kjente styremoment som virker på fartøyet fra den virkende kraft og det virkende moment som innhentes ut fra akselerasjonen og vinkelakselerasjonen, kan følgelig en korttidsvarierende kraft og et varierende moment samt den langtidsvarierende kraft og det varierende moment innhentes. Ved å eliminere den korttidsvarierende kraft og det varierende moment med den bølgeeksiterende kraft og skrogets hydrodynamiske kraft, kan den langtidsvarierende kraft og det varierende moment forårsaket av vindtrykk, tidevannskraft og varierende bølgedritfskraft, beregnes.

Med andre ord er den påviste fartøysavvikelse i forovermatestyringen et resultat av den virkende kraft som virker på fartøyet og styrekraften, herunder vindtrykkompenseringsstyrekraft, tidevannskraftens kompenseringsstyrekraft og den varierende bølgedriftkrafts kompenseringsstyrekraft. Også den virkende kraft beregnet ut fra akselerasjonen av fartøyet er en sum av den miljøeksterne kraft og styrekraften. Følgelig kan den miljøeksterne kraft oppnås ved å subtrahere styrekraften fra den virkende kraft beregnet ut fra fartøyets akselerasjon. Ved å eliminere korttidsbølgeeksiteringskraften og skrogets hydrodynamiske kraft fra denne miljø-eksterne kraft og videre ved å subtrahere vindtrykket og tidevannskraften som innhentes av andre påvisningsanordninger eller beregningsanordninger, kan den varierende bølgedriftskraft innhentes.

Også av ovennevnte automatiske styremetode av fartøysposisjonsholdingen, blir akselerasjonen og vinkelakselerasjonen tilveiebrakt av andre grads derivativet av tidsrekkedata av fartøysposisjonen og fartøyets fremdrift påvist av posisjons-påvisningsanordningen for fartøyet. Ved denne fremgangsmåte blir støy mindre enn ved å bruke akselerasjonen og vinkelakselerasjonen direkte målt av akselerometeret og beregningsnøyaktigheten av den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment kan forbedres.

Ved ovennevnte automatiske styremetode for fartøysposisjonsholdingen, blir tidsrekkedata av fartøyets posisjon og fartøyets fremdrift gitt andre grads derivativ etter å ha ført dem gjennom Kalman filteret for å innhente akselerasjon og vinkelakselerasjon. Hvis en påvist verdi direkte målt av et akselerometer brukes for en akselerasjon for beregning av virkningskraften, vil dette i praksis innebære at bare ytterst store korttidsvarierende komponenter som f.eks. bølgeeksiteringskraft og lignende blir hentet ut men langtidsvarierende komponenter, som f.eks. varierende bølgedriftskraft og lignende blir skjult. Følgelig er fremgangsmåten å foretrekket at tidsseriedata av fartøysposisjonen målt av GPS blir ført gjennom et Kalman-filter for å tilveiebringe akselerasjon av andre grads derivativ av filterbehandlet posisjonsinformasjon.

Ved bruk av et Kalman-filter, kan korttidskomponentene elimineres og akselerasjonen og vinkelakselerasjonen for et tidspunkt foran kan innhentes med nøyaktighet. Dvs. at den langtidsvarierende kraft over det langtidsvarierende moment et tidspunkt foran kan tilveiebringes med nøyaktighet. Som resultat kan den automatiske fartøysposisjonsholding kontrolleres mer nøyaktig.

Også i ovennevnte automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding, og hvis fartøysposisjonen blir påvist av GPS (Global Positioning System), og siden posisjoneringsnøyaktigheten fra GPS har blitt forbedret, kan fartøysposisjonen innhentes lett og nøyaktig. GPS omfatter ikke bare såkalt GPS men også DGPS (difTerensial-GPS) til hvilke innretninger for å forbedre posisjoneringsnøyaktigheten blir tilføyd. Fartøyets fremdrift blir normalt påvist av et gyrokompass.

Også for måling av fartøysposisjonen, kan elektriske bølgeposisjonsinn-retninger, f.eks. NNSS, LORAN-C, Syledis, Argo, Maxiran, transponder og lignende og posisjoneringsanordninger ved kombinering av gyrokompass, elektromagnetisk logging eller lignende, brukes.

Ifølge den automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding, kan den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, herunder minst enten den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmoment som virker på fartøyet, beregnes. Også forovermatestyringen for kompensering av den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment blir utført og posisjonsavvikelsen kan ytterligere reduseres sammenlignet med den konvensjonelle styremetode for automatisk fartøysposisjonsholding.

Den automatiske styreenhet for automatisk fartøysposisjonsholding ifølge oppfinnelsen for å oppnå ovennevnte formål omfatter i den automatiske styreenhet for automatisk fartøysposisjonsholding for å holde fartøyets posisjon og fartøyets fremdrift på sjøen, en fartøysbevegelsesmåleanordning for å måle bevegelsen av fartøyet, herunder minst stamping og rulling, bølgeinformasjonsbestemmelsesanordning for å beregne en stamperepresentativ periode fra stampingens måletidsrekkefølge og beregne en bølgeinnfallingsvinkel fra det målte responsforhold mellom den målte stamping og den målte rulling basert på den stampingsrepresentative periode ved å bruke en tabell for bølgeinnfallingsvinkelberegning forberedt på forhånd, en beregningsanordning for stampingsresponsverdien for å beregne en stampingsresponsverdi ut fra den stampingsrepresentative periode og bølgeinnfallingsvinkelen ved å bruke en tabell for stampingsresponskoeffisient i uregelmessige bølger med kort topp forberedt på forhånd, bølgetidsserieberegningsanordning for å beregne en beregnet tidsrekke av bølger ved å multiplisere stampingens målte tidsrekke med inversen av stampingsresponsverdien, og bølgedritfskraftens beregningsanordning for å beregne minst enten bølgedritfskraften eller bølgedritfsmomentet ut fra den beregnede tidsrekke av bølger. Ved denne konfigurasjon kan ovennevnte automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding utføres.

Også i ovennevnte automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding, når bølgedritfskraftsberegningsanordningen beregner minst enten bølgedritfskraften eller bølgedritfsmomentet ut fra den beregnede tidsrekke av bølger ut fra en periode mellom null kryss i den beregnede tidsrekke av bølger og bølgehøyden mellom null kryss, kan minst enten bølgedritfskraften og bølgedritfsmomentet i vanlige bølger tilsvarende perioden og en bølgehøyde per halvbølgelengde bli beregnet og minst enten bølgedritfskraften og bølgedritfsmomentet i vanlige bølger blir satt som minst enten bølgedritfskraften og bølgedriftsmomentet. Ifølge beregningsmåten for minst enten bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet ut fra den beregnede tidsrekke av bølger ved hjelp av Hsu-metoden, kan enten bølgedritfskraften eller bølgedritfsmomentet beregnes med relativt enkel algoritme sammenlignet med Pinksters fremgangsmåte og bølgedritfskraftens beregningsanordning blir relativt enkel.

Også det dynamiske posisjoneringssystem ifølge oppfinnelsen for å oppnå ovennevnte formål blir konfigurert for å omfatte, i det dynamiske posisjoneringssystem for å holde fartøysposisjonen og fartøysfremdriften på sjøen, ovennevnte automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding. Det dynamiske posisjoneringssystem i denne konfigurasjon omfatter ovennevnte automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding og styringen kan utføres mens minst enten bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet som virker på fartøyet blir vurdert. Således blir posisjonsavvikelsen og fremdriftsavvikelsen ytterst redusert.

Siden bølgedriftsmomentet generelt er satt lite når det ikke er behov især for å holde fartøyets fremdrift, er det foretrukket å konfigurere at beregningen og styringen knyttet til bølgedriftsmomentet ikke utføres men bare beregningen og styringen tilknyttet bølgedriftskraften i ovennevnte automatiske styremetode for fartøys-posisjonsholding og den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholdingen siden styringen og systemet da kan forenkles.

Ifølge den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding og det dynamiske posisjoneringssystem, kan minst enten bølgedriftskraften eller bølgedriftsmomentet som virker på fartøyet estimeres og forovermatestyringen utføres for å kompensere for minst enten bølgedriftskraften eller bølgedriftsmomentet. Som resultat kan posisjonsavvikelsen og fremdriftsavvikelsen av fartøyet bli ytterst redusert sammenlignet med den konvensjonelle automatiske styring av fartøysholdingen.

Alternativt kan den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding ifølge oppfinnelsen for å oppnå ovennevnte formål være en automatisk styreenhet for fartøysposisjonsholding for å holde en fartøysposisjon og en fartøysfremdrift i en bestemt posisjon og en bestemt fremdrift ved styring av en fremdriftskraft genereringsanordning på sjøen som omfatter en påvisningsanordning for fartøys-posisjonen for å påvise fartøyets posisjon og fartøyets fremdrift, en beregningsanordning for generert fremdriftskraft for å beregne en styrekraft og et styremoment generert av fremdriftskraftens genereringsanordning tilveiebrakt med fartøyet, en langtidsvarierende kraftberegningsanordning for å beregne en langtidsvarierende kraft og et langtidsvarierende moment, herunder minst enten en varierende bølgedriftskraft og et varierende bølgedritfsmoment av bølger og en styreanordning for fremdriftskraftgenerering for forovermatningsstyring av styrekraften og styremomentet generert av fremdriftskraftens genereringsanordning for den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment som beregnet av den langtidsvarierende krafts beregningsanordning.

Også ovennevnte automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding omfatter videre en beregningsanordning for fartøysakselerasjon for å beregne akselerasjonen og vinkelakselerasjonen i en posisjon av et fartøys tyngdepunkt og en beregningsanordning for fartøyets virkende kraft for å beregne den virkende kraft og det virkende moment som virker på fartøyet ved å multiplisere akselerasjonen og vinkelakselerasjonen som beregnet av beregningsanordningen for fartøysakselerasjonen ved hjelp av et skrogs virtuelle masse og et skrogs virtuelle inert moment og som blir konfigurert slik at den langtidsvarierende krafts beregningsanordning subtraherer en styrekraft og et styremoment beregnet av den genererte fremdriftskrafts beregningsanordning ut fra den virkende kraft og det virkende moment som beregnet av fartøyets virkende krafts beregningsanordning for å beregne den langtidsvarierende kraft og det kortidsvarierende moment.

Videre blir ovennevnte automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding konfigurert slik at beregningsanordningen for fartøyets akselerasjon innhenter akselerasjonen og vinkelakselerasjonen av andre grads derivativ av tidsrekkedata av fartøyets posisjon og fartøyets fremdrift som påvist av posisjonspåvisningsinnretningen for fartøyet.

Også ovennevnte automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding blir konfigurert slik at beregningsanordningen for fartøyets akselerasjon innhenter akselerasjon og vinkelakselerasjon av andre grads derivativ etter å ha ført tidsrekken av data for fartøysposisjon og fartøyets fremdrift gjennom et Kalman-filter.

Også ovennevnte automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding blir konfigurert slik at påvisningsanordningen for fartøysposisjon påviser fartøysposisjonen ved hjelp av GPS.

Ifølge ovennevnte automatiske styreenheter for fartøysposisjonsholding, kan den langtidsvarierende kraft og det korttidsvarierende moment, herunder enten minst den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedritfsmoment som virker på fartøyet, bli beregnet. Deretter blir forovermatestyringen utført for å kompensere for den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment. Således kan posisjonsavvikelsen ytterligere reduseres sammenlignet med den konvensjonelle, automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding og den konvensjonelle automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende, der:

Fig. 1 er et blokkskjema som viser et dynamisk posisjoneringssystem forsynt med en automatisk styreenhet for fartøysposisjonsholding ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 er et skjema som viser en konfigurasjon for en styreanordning for den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding ifølge oppfinnelsen,

fig. 3 er et skjema som viser en automatisk styrestrøm for fartøysposisjons-holding ifølge oppfinnelsen,

fig. 4 er et skjema som viser en forberedende strøm av hver tabell,

fig. 5 er et skjema som viser en beregningsstrøm for en bølgedriftskraft,

fig. 6 er et skjema som viser en konfigurasjon av en styreanordning for en automatisk styreenhet for fartøysposisjonsholding ifølge oppfinnelsen, og

fig. 7 er et skjema som viser en styrestrøm for en langtidsvarierende kraftkompensering ifølge oppfinnelsen.

Først vil en automatisk styremetode for fartøysposisjoneringsholding, en beregningsmåte for bølgedritfskraft, en automatisk styreenhet for fartøysposi-sjoneringsholding og et dynamisk posisjoneringssystem ifølge en utførelse av oppfinnelsen bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger. Kraften, f.eks. en bølgedriftskraft skal omfatte et moment, f.eks. et driftsmoment, unntatt der hvor den er spesielt atskilt og en indikasjon om momentet vil bli utelatt i det følgende for å forenkle beskrivelsen. Dvs. at i stedet for "... kraft og... moment", blir den indikert som "... kraft". Også fartøysposisjonen omfatter et fartøys fremdrift og posisjoneringsavvikelsen av et fartøy omfatter en fremdriftsavvikelse, unntatt der hvor det er atskilt.

Først vil et dynamisk posisjoneirngssystem 1 forsynt med en automatisk styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 ifølge oppfinnelsen bli beskrevet. Som vist på fig. 1 omfatter det dynamiske posisjoneringssystem 1 en påvisningsinnretning for et fartøys posisjoneringsholdedata 10 for å påvise informasjon for fartøyets posisjonsholdestyring, en automatisk styreenhet for fartøysposisjonsholdingen 20 for å legge inn en påvist verdi for fartøyets posisjonsholdedatapåvisningsinnretningen 10 og som gir en kommando til fremdriftskraftens genereringsinnretning 30 og fremdriftskraftens genereringsinnretning 30 for å gi en styrekraft til fartøyet ifølge et kommandosignal fra den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20.

Som fartøysposisjonsholdedataenes påvisningsinnretning 10, kan det være en posisjoneirngsføler, en hastighetsføler for å påvise eller detektere skipets hastighet (mot jord eller mot vann), en akselerasjonsføler, en holdningsføler (stampevinkel, rullevinkel, giringsvinkel), en vinkelhastighetsføler eller lignende. Også en vindkraftføler, en tidevannsbølgeføler eller lignende kan vurderes.

I denne utførelse blir en GPS-innretning 11 brukt som posisjoneringsføler for et skrogs langsgående retning (bråttsjø) posisjon og et skrogs sideretning (duve)-posisjon. Et gyrokompass 12 blir brukt som en føler for et fartøys fremdrift (slingring). En elektromagnetisk logg 13 blir brukt som hastighetsføler for å påvise fartøyets hastighet. En føler for å påvise informasjon om en "seks graders frihet"-bevegelse av fartøyet (bråttsjø: langsgående retning av fartøyet, slingring: høyre og venstre retningen av fartøyet, stamping: vertikal retning av fartøyet, rulling: retningen rundt den langsgående koordinatakse av fartøyet, stamping: retningen rundt høyre og venstre koordinatakser av fartøyet, giring: retningen rundt den vertikale koordinatakse av fartøyet), blir et akselerometer og et vinkelakselerometer brukt. Som vindkraftføler blir en vindretnings/vindindikator av skovltypen 14 brukt. Posisjoneringsnøyaktigheten (lo*) av GPS (globalt posisjoneringssystem)-innretning 11 omtrent 5 m. Symbolet a benevner en standardavvikene fra en vilkårlig feil. ;Som fremdriftskraftens genereringsinnretning 30 som kan gi en effektiv styrekraft til fartøyet, kan en hovedpropell, en styring, en tunnelstyrepropell, en kursstyrepropell, en Schneider-propell, en jetpropell eller lignende generelt vurderes. I denne utførelse fins det to enheter av hovedpropellen 31 for en propell med variabel stigning, to enheter av styringen 32, to enheter av baugstyrepropellen 32 av en variabel tunneltype og to enheter av akterstyrepropell 34 av variabel tunneltype. ;Den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 omfatter en operasjonsdel 21, en styredel 22 og en visningsdel 23. Operasjonsdelen 21 omfatter en treakset spake og forskjellige brytere. Gjennom operasjonsdelen 21 gir en operatør instrukser til styredelen 22 eller kjenner til styretilstanden ved å betrakte displaydelen 23. ;Styredelen 22 er senter for den automatiske styreenhets fartøysposisjons-holding 20.1 denne utførelse omfatter innretningen 2 enheter for beregning. Styredelen 20 blir brukt som beregningsenhet for styring og en beregningsenhet for overvåkning og utveksler data gjennom et felles minne. Moduler som konfigurerer beregningsinnretningen er konstruert med en tilstrekkelig støymargin mot variasjoner i krafttilførselen og elektromagnetisk induksjon. Inn/ut-grensesnitt forbundet til følere og aktuatorer er alle elektrisk isolert, slik at eksterne problemer ikke negativt påvirker innsiden av beregningsenheten. For å forbedre påliteligheten av beregningsenheten, blir det ikke brukt et eksternt hjelpeminne med en mekanisk drivdel. Alle programmer og data er skrevet inn i en ROM-modul. ;Styredelen 22 sender/mottar data til/fra fartøyets påvisningsinnretning for posisjonsholdedata 10. Fra de påviste data og instruksdata hentet fra kommunikasjonen med operatøren, blir beregninger utført og en kommando til fremdriftskraftens genereringsinnretning 30 blir beregnet og sendt. ;Visningsdelen 23 har en CRT-skjerm, en digital indikator, en indikatorlampe eller lignende og viser et fartøys posisjon i et målsenter med absolutt koordinatindikasjon eller et eget fartøysenters relative koordinatindikasjon. Indikasjonsskalaen av koordinatet kan fritt endres og retninger av vind og beregnet stasjonær kraft kan vises øverst til venstre. Videre viser dataene funksjonene til en følertilstand, en krafttilstand, en alarmtilstand og lignende. Også en digital skjermfunksjon for å vise en målposisjon, en målkurs, en posisjonsavvikelse, en kursavvikelse og en propellkommandos fremdriftskraft, en alarmfunksjon for å gi en alarm ved utstyrsfeil, en generatoroverbelastning og unormal posisjonsholding og en registreringsfunksjon for å registrere operasjonstilstanden, operasjonsinnhold og alarminnhold på et kassettbånd, en skriver og lignende, er tilveiebrakt. ;Det dynamiske posisjoneringssystem 1 har fire programvaredrivmoduser for en beredskapsmodus, en manuell modus, en halvautomatisk modus og en automatisk modus. Beredskapsmodus er en modus for å kommandere en null fremdriftskraft til hver propell for å gi skipsstyringen fleksibilitet. Den manuelle modus er en modus for å kommandere en fremdriftskraft i samsvar med bruken av den treskaftede betjeningspakke. Den halvautomatiske modus er en modus som automatisk holder et fartøys kurs ved en innstilt kurs og muliggjør en alternativ skipsstyring ved bruk av den treskaftede betjeningspakke. Den automatiske modus er en modus hvor fartøys-posisjonen og fartøyskursen blir automatisk holdt i en fast posisjon og en fast kurs og når en innstillingsverdi for fartøysposisjonen blir endret, blir fartøysposisjonen endret mens kursen blir holdt og når en innstillingsverdi for kurs blir endret, blir fartøyet dreiet rundt mens fartøysposisjonen blir holdt. ;En styrelogikk for den automatiske fartøysposisjonsholding i en første utførelse vil nå bli beskrevet. Et fartøy på sjøen er utsatt for forstyrrelser, f.eks. vind, tidevann, bølger og en styrekraft, f.eks. en styrepropell (og et styremoment) blir generert mot disse. Fartøyet foretar en bevegelse og genererer en posisjonsavvikelse (og en kursavvikelse) mot en målposisjon (og en målkurs) innstilt på forhånd. Den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 beregner en styrekraft for å eliminere en slik posisjonsavvikelse og videre for å holde fartøysposisjonen stabilt selv under forstyrrelsen, og sender videre en kommando for å kompensere for denne til fremdriftskraftens genereringsinnretning 30 og frembringer en styrekraft som kreves for den automatiske fartøysposisjonsholding (heretter kalt en DPS-styrekraft). ;DPS-styrekraften sendt fra den automatiske styreenhet for fartøysposisjons-holding 20 blir konfigurert av en kortidstilbakemeldingsstyrekraft (heretter kalt en FB-styrekraft med momentet) og en langtidsforovermatestyrekraft (heretter kalt en FF-styrekraft med moment). Dvs. at DPS-styrekraften = FB-styrekraften + FF-styrekraften. ;FB-styrekraften er en styrekraft som utøves basert på posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen for fartøyet og en kraft for tilbakemeldingsstyring beregnet ved å bruke proporsjonal styring, derivativ styring, integrert styring eller lignende. Hvis det ikke fins noen posisjonsavvikelse for fartøyet, blir det følgelig ikke generert noen FB-styrekraft. ;På en annen side tilsvarer FF-styrekraften en langtidsvarierende kraft vesentlig nær en stasjonær kraft. FF-styrekraften er en kompenserende styrekraft for forovermatestyring kommandert for å realisere stabil kontroll mot en langtidsvarierende kraft som virker på fartøyet uansett nærværet av posisjonsavvikelsen. FF-styrekraften omfatter en vindtrykkskompenseringsstyrekraft FFw2 i forbindelse med vindtrykk, en tidevannskompenseringsstyrekraft FFc tilknyttet en tidevannskraft og en bølgedrifts-kraftkompenseringsstyrekraft FFd. Dvs. at FF-styrekraften = vindtrykkskompenseringsstyrekraften + tidevannskompenseringskraften + bølgedritfskraftens kompenseringsstyrekraft. ;Når det gjelder vindtrykkompenseringsstyrekraften FFw blant disse, og ved å beregne et vindtrykk som for tiden oppleves av fartøyet i sann tid basert på data for relativ vindretning og relativ vindkraft fra vindretnings/vindindikatoren, kan vindtrykkskompenseringskontrollens kraft FFw mot vindtrykket beregnes. For å beregne et nøyaktig vindtrykk, blir vindtunnelprøvedata utført ved å bruke en skalamodell av fartøyet. ;Også tidevannskompenserings styrekraft FFc blir sjelden generert unntatt i spesifikke sjøområder og tidevann kan måles direkte og lett i de spesifikke sjøområder. Følgelig kan tidevannskompenserings styrekraft FFc beregnes på forhånd. Selv om en direkte beregning ikke er mulig siden tidevannskraften normalt blir vesentlig konstant over lang tid, kan tidevannskraften påvises fra påviste posisjonsdata for den automatiske styring av fartøysposisjonsholdingen og tidevannskompenserings-kontrollens kraft FFc som kompenserer for tidevannskraften, kan beregnes. ;Ifølge oppfinnelsen og når det gjelder den gjenværende bølgedritfkraftens kompenseringsstyrekraft FFd, blir bølger som faller inn på fartøyet fra fartøyets bevegelse, beregnet og bølgedritfskraftens kompenseringsstyrekraft FFd blir beregnet ut fra de beregnede bølger. ;Følgelig kan forovermatestyringen også utføres for bølgedritfskraftens kompenseringsstyrekraft FFd. ;For den automatiske styring av fartøyets posisjonsholding i den første utførelse, omfatter den automatiske styreanordning for fartøysposisjonsholding C20 av den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 som vist på fig. 2, fartøyets bevegelsesinformasjonsakkumuleringsanordning C21, fartøyets bevegelsesmåleinn-retning C22, bølgeinformasjonsberegningsanordning C23, stamperesponskoeffisient-beregningsanordning C24, bølgetidsrekkeberegningsanordning C25 og bølgedritfskraftsberegningsanordning C26 og lignende. ;For fartøyets bevegelsesinformasjonsakkumuleringsanordning C21, blir en tabell for bølgeinnfallingsvinkelestimering Tl, en stamperesponskoeffisienttabell for korte uregelmessige bølger T2 og en bølgedritfskraftskoeffisienttabell i vanlige bølger T3 forberedt og lagret. Disse tabellene blir utarbeidet basert på en responstabell i vanlige bølger T01 som innhenter en respons verdi for fartøysbevegelsen til vanlige bølger og en responstabell i korte, uregelmessige bølger T02. ;Responstabellen i vanlige bølger T01 viser hvordan fartøyet foretar en bevegelse når vanlige bølger når fartøyet i en innfallingsvinkel i en retning. Ifølge kjente beregningsmetoder for fartøysresponsfunksjon i vanlige bølger, f.eks. en strippet metode og en tredimensjonal, enkel fordelingsmetode, blir beregningene utført for hver tilstand av fartøyet (dypgående eller et trim) basert på en bølgeinnfallsvinkel som har en retning hvor bølgen ankommer og en bølgeperiode. Dataresponsen i en vanlig bølge blir avbildet i en tabell (avbildningsdata) for å få responstabellen i vanlige bølger T01. ;Responstabellen i korte, uregelmessige bølger T02 viser hvordan fartøyet foretar en bevegelse når uregelmessige bølger ankommer fartøyet fra en bølges hovedretning. Bølgeretningsfordelingen og omfanget av uregelmessige bølger (som kan defineres som en gjennomsnittlig bølgeperiode og en betydelig bølgehøyde) som møtes av fartøyet på sjøen, blir forutsagt, idet responsen i vanlige bølger hentet fra responstabellen i vanlige bølger T01 blir vektet og lagt til i forhold til bølgeretningsfordelingen og et responsspektrum av fartøysbevegelsen for korte uregelmessige bølger blir hentet ved å multiplisere vekten av bølgeenergifordelingen i samsvar med bølgeperioden basert på det forutsatte bølgespektrum. Den betydelige bølgehøyde blir vist av to ganger standardavvikelsen c av bølgenes tidsrekke og et kvadrat av standardavvikelsen a er et område som omsluttes av det korte, uregelmessige bølgeresponsspektrum av bølger. ;Fra det korte, uregelmessige bølgeresponsspektrum av fartøybevegelsen, blir en responskoeffisient av bevegelsen (signifikant dobbel amplitude/signifikant bølgehøyde) og en gjennomsnittsperiode av bevegelsen innhentet. Responskoeffisienten og den bevegelsesrepresentative periode av responsen i korte, uregelmessige bølger blir innhentet for hver tilstand av fartøyet basert på bølgeinnfallsvinkelen og den gjennomsnittlige bølgeperiode og de blir satt i rekkefølge for å oppnå responstabellen i korte, uregelmessige bølger T02. Den signifikante, dobbelamplitude blir representert ved to ganger standardavvikelsen av o* av bevegelsens tidsrekke og et kvadrat av standardavvikelsen o er et område som omsluttes av det korte, uregelmessige bølgeresponsspektrum av bevegelsen.

Bølgeretningsfordelingen viser en fordeling av bølgeenergien i et område på 90 grader i urviserretningen og 90 grader i mot urviserretningen rundt innfallsretningen av bølgen (bølgeretningen med høyest bølgeenergi) til fartøyet. Bølgeretningsfordelingen forutsettes å ha normalt x<2->fordeling. Også det uregelmessige bølgespektrum JONSWAP-spektrum, ISSC-spektrum, ITTC-spektrum eller lignende, blir forutsatt normalt.

Bølgeinnfallsvinkelens beregningstabell Tl gjelder perioder, f.eks. en stamperepresentativ periode (spissperiode, gjennomsnittsperiode), en gjennomsnittsbølgeperiode og en rullerepresentativ periode for hver tilstand av fartøyet og viser et forhold mellom et forhold mellom den stampesignifikante amplitude og rullesignifikante amplitude (her kalt et responsforhold mellom stamping og rulling) og en bølgeinnfallsvinkel. Bølgeinnfallsberegningstabellen Tl blir beregnet ut fra responskoeffisienten av en respons i korte, uregelmessige bølger av stamping og rulling. Et responsforhold mellom stamping og rulling blir innhentet for hver representative periode av stamping ifølge en bølgeinnfallsvinkel og forholdet blir satt i rekkefølge for å oppnå bølgeinnfallsvinkelens estimeringstabell Tl av et forhold mellom responsforholdet mellom stamping og rulling og bølgeinnfallsvinkelen ifølge en representativ periode av stamping. Tabellen Tl blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsoppsamlingsanordning C21.

Når bølgespektrumet forutsettes å være av JONSWAP-type bølgespektrum med en bratt spiss i bølgespektrumet, blir en periode av en spiss (spissperiode) av et stampebevegelsesspektrum innhentet fra bevegelsesspektrumet brukt som en representativ periode for stamping. Utenom dette kan en gjennomsnittsperiode av stampebevegelsen også brukes. Ved beregning av denne bølgeinnfallsvinkel, kan en gjennomsnittsbølgeperiode eller en rullerepresentativ periode også brukes i stedet for den stamperepresentative periode.

Deretter viser stamperesponskoefflsienttabellen i korte, uregelmessige bølger T2 et forhold mellom bølgeinnfallsvinkelen og en stamperesponskoeffisient (stampesignifikant, dobbelamplitude/signifikant bølgehøyde) av en bevegelse i uregelmessige bølger tilknyttet den stamperepresentative periode i samsvar med fartøyets tilstand. Ut fra stamperesponsen i uregelmessige bølger, blir den stamperepresentative periode og stamperesponskoeffisienten beregnet ifølge en bølgeinnfallsvinkel og satt i rekkefølge for å oppnå stamperesponskoeffisienttabellen i korte uregelmessige bølger T2. Denne tabell T2 blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsoppsamlingsanordning C21.

Også basert på den innkommende bølge og bølgeinnfallsvinkelen ifølge fartøyets tilstand, blir en bølgedriftskraftkoeffisient oppnådd ved å gjøre bølgedriftskraften (stamping, duving, slingring) dimensjonsløs av den representative lengde (f.eks. skipslengde) eller bølgehøyde blir beregnet på kjent måte, f.eks. ved en tredimensjonal enhetsmetode. De beregnede resultater blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsoppsamlingsanordning C21 som tabell i vanlige bølger for bølgedriftskraftkoeffisient T3.

Måleanordningen for fartøysbevegelsen C22 er anordningen for å måle fartøyets bevegelse. Fartøybevegelsens måleanordning C22 måler vanligvis en seks graders bevegelsesfrihet, men her måler den minst stamping og rulling. Vinklene av stamping og rulling blir påvist av vinkelfølere eller vinkelakselerasjonsfølere. I stedet for vinkelakselerasjonsfølere, kan vinkelakselerasjonen påvises fra akselerasjonsføleren og en langsgående avstand eller sideavstand mellom den vertikale akselerasjonsføler og en posisjon av fartøyets tyngdepunkt. Ut fra disse deteksjonsresultater blir en stampetidsrekke og en rulletidsrekke innhentet. Dataene i løpet av den bestemte tidsrekke blir analysert ved frekvensanalyse (spektralanalyse), f.eks. Fast Fourier Transform-analyse og bevegelsesspektraene av stamping og rulling blir beregnet. Ut fra bevegelsesspektraene blir de målte verdier av responsforholdet mellom stamping og rulling innhentet.

Beregningsanordningen for bølgeinformasjon C23 er anordningen for å beregne en bølgeinnfallsvinkel og gjelder frekvensanalyse av den målte stampetidsrekke og rulletidsrekke. Dvs. at den stampesignifikante, doble amplitude og rullesignifikante, doble amplitude, ut fra det målte stampespektrum og det målte rullespektrum blir beregnet. Ut fra forholdet til begge, blir det målte responsforholdet mellom stamping og rulling (forholdet mellom den stampesignifikante amplitude og rullesignifikante amplitude) innhentet. Også en representativ periode for en stampebevegelse blir beregnet ifølge den stamperepresentative periode av bølgeinnfallingsvinkelens beregningstabell Tl som er forberedt på forhånd for å gjøre den til en beregnet stamperepresentativ periode. Ut fra den beregnede stamperepresentative periode og responsforholdet mellom den målte stamping og rulling, blir bølgeinnfallsvinkelen beregnet ved å bruke bølgeinnfallsvinkelens beregningstabell Tl som er forberedt på forhånd.

Stamperesponskoefflsientberegningsanordningen C24 er anordningen for å beregne en stamperesponskoeffisient. Ut fra bølgeinnfallsvinkelen og den beregnede, representative bølgeperiode, blir stamperesponskoeffisienten beregnet ved å bruke stamperesponskoeffisienttabellen i korte, uregelmessige bølger T2 som er forberedt på forhånd.

Beregningsanordningen for bølgetidsrekken C25 er anordningen for å beregne en beregnet tidsrekke av bølger. Den beregnede tidsrekke av bølgene blir beregnet ved å multiplisere den målte stampetidsrekke med inversen av stamperesponskoeffisienten som beregnet av stamperesponskoeffisientens beregningsanordning C24.

Bølgedriftskraftens beregningsanordning C26 er anordningen for å beregne bølgedritfskraften. Bølgedritfskraftens beregningsanordning C26 beregner bølgedrifts-kraften med Hsu-metoden ut fra den beregnede, estimerte tidsrekke av bølger. Her blir bølgedriftskraften av uregelmessige bølger approksimert av en bølgedriftskraft i vanlige bølger. Først blir en null kryss posisjon av den beregnede tidsrekke av bølger påvist og en bølgeperiode blir beregnet ut fra tiden mellom to null kryss. En bølgehøyde blir innhentet fra en ekstrem verdi av null kryss perioden. Under null kryss perioden blir en konstant bølgedriftskraft vurdert til å virke på fartøyet, idet den beregnede bølgeinnfallsvinkel og to ganger null kryss perioden som blir satt som bølgeinnfallsvinkel og bølgeperioden av regelmessige bølger og en bølgedriftskraft-koeffisient blir innhentet hver halvperiode av bølgene, dvs. per null kryss periode som bruker bølgedriftskoefifsienttabellen i vanlige bølger T3 forberedt på forhånd. Ut fra denne bølgedriftskraftskoeffisient, blir bølgedritfskraften beregnet.

Den automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding vil nå bli beskrevet ifølge den automatiske styrestrøm for fartøysposisjonsholding som vist på fig. 3. Den automatiske styrestrøm for fartøysposisjonsholding vist på fig. 3 omfatter forberedelse for hver tabell ved trinn S10, beregning av en bølgedriftskraft ved trinn S20, beregning av et vindtrykk ved trinn S30, beregning av en tidevannskraft ved trinn S40, beregning av en FF-styrekraft (forovermatestyrekraft) ved trinn S50, beregning av en FB-styrekraft (tilbakemeldingsstyrekraft) ved trinn S60 og instruks for en DPS-styrekraft ved trinn S70.

Som forberedelse ved trinn S10, blir bølgeinnfallsvinkelens estimeringstabell Tl, stamperesponskoeffisienttabellen i korte, uregelmessige bølger T2, bølgedriftskraftens koeffisienttabell i regelmessige bølger T3 og lignende forberedt av oppsamlingsanordningen for fartøysbevegelsesinformasjon C21. Utarbeidelsen av hver tabell ved trinn S10 blir vanligvis foretatt før fartøyet seiler. Ved trinn S10 som vist på fig. 4, blir fartøysbevegelsen i vanlige bølger beregnet av strippemetoden eller tredimensjonal singularitetsmetoden ved trinn Sil og responstabellen i vanlige bølger T01 viser fartøysbevegelsesdata for bølgeinnfallsvinkelen og bølgeperioden forberedt for hver fartøystilstand.

Ved det neste trinn Sl2, og basert på responsen i vanlige bølger, blir responstabellen i korte, uregelmessige bølger T02 fra den antatte bølgespektrums-gruppe forberedt basert på bølgeinnfallsvinkelen og den gjennomsnittlige bølgeperiode for hver tilstand av fartøyet. Responstabellen i korte, uregelmessige bølger T02 viser statiske data for fartøysbevegelsen i uregelmessige bølger for bølgeinnfallsvinkelen og den gjennomsnittlige bølgeperiode for hver tilstand av fartøyet.

Ved etterfølgende trinn Sl 3, blir den stampesignifikante, doble amplitude/signifikante bølgehøyde og rullesignifikante, doble amplitude/signifikante bølgehøyde innhentet fra responstabellen i korte, uregelmessige bølger T02, idet responsforholdet mellom stamping og rulling som er forholdet mellom begge, beregnet og bølgeinnfallsvinkelens estimeringstabell Tl viser responsforholdet mellom stamping og rulling på bølgeinnfallsvinkelen og den stamperepresentative periode blir forberedt for hver tilstand av fartøyet. Tabellen Tl blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsoppsamlingsanordning C21 på forhånd. Også ved trinn Sl4, blir den stamperepresentative periode og den stampesignifikante, doble amplitude/signifikante bølgehøyde beregnet fra responstabellen i korte, uregelmessige bølger T02 og stamperesponskoeffisienten i korte, uregelmessige bølger T2 blir forberedt for hver tilstand av fartøyet. Tabellen T2 blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsoppsamlingsanordning C21 på forhånd.

Ved trinn Sl5, blir fartøyets bevegelse i regelmessige bølger beregnet ved strippemetoden eller den tredimensjonale singularitetsmetode og bølgedriftskraftkoef-flsienttabellen T3 som viser bølgedriftskraftkoefflsienten for bølgeinnfallsvinkelen og bølgeperioden blir forberedt for hver tilstand av fartøyet. Tabellen T3 blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsoppsamlingsanordning C21 på forhånd. Ved etterfølgende Sl6, og ut fra en lufttunnelprøve eller lignende utført ved å bruke en skalamodell av skipet, blir en vindtrykkstabell T4 som viser vindtrykket for den relative vindretning og den relative vindkraft forberedt. Denne tabell T4 blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsoppsamlingsanordning C21 på forhånd. Også ved trinn Sl7, blir en tidevannskrafttabell T5 som viser tidevannskraften for tidevannsretningen og tidevannshastigheten, forberedt fra tankprøveresultatene eller lignende utført ved å bruke skalamodellen av fartøyet. Denne tabell T5 blir lagret i fartøyets bevegelsesinformasjonsakkumuleringsanordning C21 på forhånd.

Beregningsstrømmen av bølgedriftskraften ved trinn S20 vil nå bli beskrevet. I hvert trinn i det følgende blir samme tilstand av fartøyet på sjøen brukt for fartøystilstanden i hver tabell. Ved trinn S20, som vist på fig. 5, blir fartøysbevegelsen (især stamping og rulling) målt av fartøysbevegelsesmåleanordningen C22 og den målte tidsrekke av fartøybevegelsen innhentet ved trinn S21. Også ved trinn S22, vil den målte tidsrekke av fartøybevegelsen gjennom en frekvensanalyse ved hjelp av Fast Fourier Transform-analysen eller lignende innenfor den bestemte periode, idet det målte fartøys bevegelsesspektrum blir beregnet og statiske data, f.eks. målt gjennomsnittsperiode, målt spissperiode, målt signifikant, dobbel amplitude og lignende blir beregnet.

Ved etterfølgende trinn S23, og ut fra de målte statiske data av bevegelsen, blir det målte responsforhold mellom stamping og rulling som er forholdet mellom stampemålt, signifikant dobbeltamplitude og rulle-målt signifikant dobbeltamplitude innhentet av bølgeinformasjonsestimeringsanordningen C23. Ved trinn S24, og ut fra det målte responsforholdet mellom stamping og rulling, blir en bølgeinnfallsvinkel innhentet ved å bruke bølgeinnfallsvinkelens estimeringstabell Tl som er forberedt av fartøys-bevegelsens informasjonsoppsamlingsanordning C21. Også den målte spissperiode av stampebevegelsen eller den målte gjennomsnittsperiode eller lignende blir satt som stamperepresentativ periode.

Ved trinn S25, blir stamperesponskoeffisienten innhentet av stamperesponskoeffisientens beregningsanordning C24 ut fra den beregnede stamperepresentative periode og bølgeinnfallsvinkelen ved å bruke stamperesponskoeffisienttabellen i korte, uregelmessige bølger T2 forberedt av fartøysbevegelsens informasjonsakkumuleringsanordning C21. Ved trinn S26 blir den beregnede tidsrekke av bølger innhentet av bølgetidsrekkens beregningsanordning C25 ved å multiplisere den stampemålte tidsrekke med inversen av stamperesponskoeffisienten. Ved det etterfølgende trinn S27, blir null kryss-perioden og bølgehøyden påvist fra den beregnede tidsrekke av bølger av bølgedriftskraftens beregningsanordning C26. To ganger null kryss periode blir satt som bølgeperiode og ved å bruke bølgedrifts-koeffisienttabellen i regelmessige bølger til tre forberedt av fartøybevegelsens informasjonsoppsamlingsanordning C21, blir bølgedriftskraften beregnet per halvperiode, dvs. per null kryss-periode. Bølgedritfskraften virker i den trinnvise tilstand under null kryss-perioden.

I vindtrykksberegningsstrømmen ved trinn S30 vist på fig. 3, og ut fra dataene om den relative vindretning og den relative vindkraft målt av vindretnings/vind-indikatoren blir vindtrykket som virker på fartøyet ved styring estimert i sanntid ved å bruke vindtrykkstabellen T4 forberedt av fartøybevegelsens informasjonsoppsamlingsanordning C21.

Også for tidevannskraftberegmngsstrømmen ved trinn S40, blir tidevannskraften sjeldent generert utenom ved spesifikke sjøområder. Hvis tidevannet er kjent på forhånd ved å bruke tidevannskrafttabellen T5 forberedt av fartøybevegelsens informasjonsoppsamlingsanordning C21, blir tidevannskraften som virker på fartøyet ved styring beregnet ut fra tidevannsretningen og tidevannshastigheten. Selv om tidevannsretningen og tidevannshastigheten ikke direkte kan måles eller beregnes siden tidevannskraften er en kraft som blir vesentlig konstant over en lengre periode, kan også tidevannskraften påvises fra posisjonens påvisningsdata for den automatiske fartøysposi sj onsholdekontroll.

I beregningsstrømmen av FF-styrekraften (forovermatestyrekraften) ved trinn S50, blir bølgedriftskraften beregnet ved trinn S20 og multiplisert med minus for å få en FFd-styrekraft (bølgedriftskraftskompenseringsstyrekraft). Også vindtrykket estimert ved trinn S30 blir multiplisert med minus for å oppnå en FFw styrekraft (vindtrykkskompenseringsstyrekraft). Videre blir tidevannskraften beregnet ved trinn S40 multiplisert med minus for å oppnå en FFc-styrekraft (tidevannskompenseringsstyrekraft). FFd-styrekraften, FFw-styrekraften og FFc-styrekraften blir lagt sammen for å oppnå FF-styrekraften. Dvs. at FF-styrekraften = FFd-styrekraft + FFw-styrekraft + FFc-styrekraft.

Også i beregningsstrømmen av FB-styrekraft (tilbakemeldingsstyrekraft) ved trinn S60, blir FB-styrekraften for tilbakemeldingsstyring hvor den proporsjonale styring, derivativstyringen, den integrerte styring og lignende blir kombinert og beregnet. En kjent styremetode blir brukt for denne tilbakemeldingsstyring og beskrivelsen vil følgelig bli utlagt.

I instruksstrømmen av DPS-styrekraften ved trinn S70, blir FF-styrekraften og FB-styrekraften lagt til for å oppnå DPS-styrekraften. Et instrukssignal til fremdriftskraftens genereringsanordning 30 blir beregnet, slik at styrekraften generert av fremdriftskraftens genereringsanordning 30 blir denne DPS-styrekraft og dette instrukssignal blir sendt til fremdriftskraftens genereringsinnretning 30.

Ifølge ovennevnte, konfigurerte automatiske styremetode for fartøysposisjons-holding og den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20, kan følgende styring utføres. Bølger som faller inn på fartøyet blir estimert fra fartøysbevegelsen. Ut fra disse estimerte bølger blir bølgedriftskraft og et bølgedritfsmoment som virker på fartøyet i bølger, beregnet. En styring for å holde fartøysposisjonen omfatter en styring for forovermatestyring for den beregnede bølgedriftskraft og det beregnede bølgedritfsmoment blir utført.

Også en stamperepresentativ periode blir beregnet ut fra den stampemålte tidsrekke. Basert på den stamperepresentative periode, blir en bølgeinnfallsvinkel beregnet ut fra det målte responsforhold mellom det målte stamping og den målte rulling ved å bruke bølgeinnfallsvinkelens estimeringstabell Tl. En stamperesponsverdi blir beregnet ut fra den stamperepresentative periode og bølgeinnfallsvinkelen som bruker stamperesponsverditabellen i korte, uregelmessige bølger T2. Ved å multiplisere den stampemålte tidsrekke med inversen av stamperesponsverdien, blir en estimert tidsrekke av bølger beregnet. Ut fra denne estimerte tidsrekke av bølger, kan bølgedritfskraften og bølgedritfsmomentet beregnes ved å bruke bølgedritfskraftens koeffisienttabell T3.

Ifølge den automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding, kan bølgedriftkraftens beregningsmetode, den automatiske styreenhet for fartøysposisjons-holding 20 og det dynamiske posisjoneringssystem 1 i ovennevnte første utførelse, en bølgedriftskraft og et bølgedriftsmoment som virker på fartøyet, bli estimert og en forovermatestyring for å kompensere for bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet blir utført. Som resultat kan posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen av fartøyet bli redusert vesentlig sammenlignet med den konvensjonelle automatiske styring av fartøysposisjonsholdingen.

Siden et varierende bølgedriftsmoment generelt er svært lite og hvis det ikke er noe krav til å holde fartøyets kurs, blir beregningen og styringen om det varierende driftsmoment ikke utført i ovennevnte automatiske styremetode for fartøys-posisjonsholdingen og den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholdingen men blir slik konfigurert at bare beregningen og styringen om varierende bølgedriftskraft blir utført. Denne konfigurasjon er å foretrekke siden styringen og systemet da blir enklere.

Styrelogikken for den automatiske fartøysposisjonsholding i en andre utførelse, vil nå bli beskrevet. Et fartøy på sjøen opplever en forstyrrelse, f.eks. vind, tidevann og bølger. En styrekraft, f.eks. en styrepropell og et styremoment kan genereres mot disse. Imidlertid foretar fartøyet alltid en bevegelse og en posisjonsavvikelse og en kursavvikelse mot en målposisjon og en målkurs satt på forhånd blir generert. Den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 beregner en styrekraft og et styremoment for å eliminere posisjonsavvikelse og kursavvikelse og videre for å holde fartøysposisjonen stabil selv under forstyrrelser. En kommando for å kompensere for dette blir sendt til fremdriftskraftens genereringsinnretning 30 og en styrekraft og et styremoment som kreves for automatisk fartøysposisjonsholding (heretter kalt en DPS-styrekraft med momentet) blir oppnådd.

DPS-styrekraften kommandert av den automatiske styreenhet for fartøysposi-sjonsholding 20 blir konfigurert av en kort tilbakemeldingsstyrekraft (heretter kalt en FB-styrekraft med moment) og en lang tilbakemeldingsstyrekraft (heretter kalt en FF-styrekraft med moment) (DPS-styrekraft = FB-styrekraft + FF-styrekraft).

FB-styrekraften er en styrekraft som utøves basert på posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen av fartøyet og størrelsen av en beregnet fartøyshastighet. FB-styrekraften er en kraft og et moment for tilbakemeldingsstyring beregnet ved å bruke proporsjonal styring og derivativ styring. Hvis det ikke fins noen posisjonsavvikelse eller kursavvikelse av fartøyet, blir ingen FB-styrekraft generert.

På den annen side tilsvarer FF-styrekraften en langtidsvarierende kraft vesentlig nær en stasjonær kraft. FF-styrekraften er en kompensasjonsstyrekraft for forovermatestyring kommandert for å realisere stabil styring mot en langtidsvarierende kraft som virker på fartøyet av et vindtrykk, en tidevannskraft og en bølgedriftskraft uansett nærværet av posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen.

FF-styrekraften omfatter en vindtrykkskompenseringsstyrekraft og et moment som er knyttet til et vindtrykk. For vindtrykkskompenseringskontrollkraften og momentet basert på dataene om relativ vindretning og relativ vindkraft fra vindretnings/vindindikatoren, blir vindtrykket som for tiden virker på fartøyet estimert i sann tid og vindtrykkskompenseringsstyrekraften mot vindtrykket kan beregnes. For å beregne et nøyaktig vindtrykk, blir det brukt en tunnelprøve med en skalamodell av fartøyet.

Med den automatiske styremetode for fartøysposisjonsholdingen i den andre utførelse, og siden det ikke fins behov for å separere vindtrykket, tidevannskraften og den varierende bølgedriftskraft i praksis, blir imidlertid slike som omfatter vindtrykk samt vindtrykksmoment, tidevannskraft samt tidevannsmoment og den varierende bølgedriftskraft samt varierende bølgedritfsmoment, kalt en langtidsvarierende kraft samt et langtidsvarierende moment. Den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment omfatter den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmoment. Siden informasjonen om bølgene for å estimere disse kreftene og momentene ikke nøyaktig kan påvises, vil den ikke direkte kunne beregnes ut fra de påviste data over bølgene og lignende med tilstrekkelig nøyaktighet.

I den andre utførelse blir den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment med den langtidsvarierende driftskraft og det langtidsvarierende driftsmoment beregnet ut fra tidsrekken av data om fartøyets posisjon ved å bruke Kalman-filter. Ved å bruke dette Kalman-filter, blir fartøysbevegelsen beregnet ut fra en tidsmessig endring i fartøyets posisjon og fartøyets kurs under hensyn til påvirkningen av fartøyets bevegelse av DPS-styrekraften som virker på fartøyet. Den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment blir beregnet ved å bruke fartøysbevegelsens estimerte verdi og den beregnede verdi av DPS-styrekraften generert av fremdriftskraftens genereringsinnretning 30.

Ved å beregne den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, kan DPS-styrekraften utøves mot den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, herunder den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmoment, uansett nærværet av posisjonsavvikelsen eller kursavvikelsen av fartøyet. Følgelig blir den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment beregnet og før posisjonsavvikelsen av kursavvikelsen blir generert, blir verdiene oppnådd ved å multiplisere den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment med minus, lagt til DPS-styrekraften som kompensasjonsstyrekraft og kompensasjonsstyremoment mot den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, dvs. som FF-styrekraft.

Konfigurasjonen av den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 for forovermatestyring ved beregning av FF-styrekraften for den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, herunder den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmoment, vil nå bli beskrevet. Siden tilbakemeldingsstyringen av den automatiske fartøysposisjonsholdestyring av gjeldende teknikk kan brukes som tilbakemeldingsstyring basert på en korttids FB-styrekraft og er kjent, blir denne ikke beskrevet her.

Styreanordningen C40 i den andre utførelse av den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 omfatter som vist på fig. 6, fartøysposisjonspåvisnings-anordning C41, fartøysakselerasjonsberegningsanordning C42, beregningsanordning for fartøyets bevirkende kraft C43, den genererte fremdriftskrafts beregningsanordning C44, den langtidsvarierende krafts beregningsanordning C4S og fremdriftkraftens genereringsstyreanordning C46.

Fartøysposisjonspåvisningsanordningen C41 påviser fartøysposisjonen med en GPS-innretning og påviser også fartøyets fremdrift eller kurs ved hjelp av et gyrokompass. Posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen blir innhentet ved å subtrahere en målposisjon og en målkurs ut fra fartøysposisjonen og fartøyskursen. Fartøysakselera-sjonens beregningsanordning C42 bruker andre grads derivativ til tidsrekkedataene av posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen etter å ha ført dem gjennom et Kalman-filter for å beregne akselerasjonen og vinkelakselerasjonen i fartøyets tyngdepunktposisjon.

Beregningsanordningen for fartøyets virkende kraft C43 beregner en virkende kraft og et virkende moment på fartøyet ved å multiplisere akselerasjonen og vinkelakselerasjonen påvist av fartøysakselerasjonspåvisningsanordningen C42 med skrogets virtuelle masse og skrogets virtuelle inertia moment. Den genererte fremdriftskrafts beregningsanordning C44 beregner en styrekraft og et styremoment generert av fremdriftskraftens genereringsanordning 30 i fartøyet.

Den langtidsvarierende kraftberegmngsanordning C45 beregner en langtidsvarierende kraft og et langtidsvarierende moment, herunder den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmoment fira bølger ved å subtrahere styrekraften og styremomentet beregnet av den generert fremdriftskrafts beregningsanordning C44 ut fra den virkende kraft og det virkende moment beregnet av fartøyets beregningsanordning for den virkende kraft C43. Fremdriftskraftens genereringsstyre anordning C46 utfører forovermatestyring av styrekraften og styremomentet (FF-styrekraften) generert av fremdriftskraftens genereringsanordning 30 for den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment beregnet av den langtidsvarierende krafts beregningsanordning C45.

En beregning av en kompensasjonsstyrekraft og et kompensasjonsstyremoment for den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment vil nå bli beskrevet ifølge den langtidsvarierende krafts kompenseringsstyrestrøm vist på fig. 7. Den langtidsvarierende krafts kompenseringsstyrestrøm blir beregnet i et tidsdomene og data blir håndtert som en tidsrekke av data. Også den langtidsvarierende krafts kompenseringsstyrestrøm blir formet av en virkende krafts beregningsstrøm (trinn Sl 10) for å beregne en kraft som virker på et fartøy, en styrekraftsberegningsstrøm (trinn Sl20) og en langtidsvarierende krafts beregningsstrøm (trinn Sl30).

I den virkende krafts beregningsstrøm ved det første trinn Sl 10, blir langsgående og sideposisjon av fartøyet (stamperetning, duveretning) påvist av GPS eller lignende ved trinn Sill. Også fartøyets kurs (gireretning) blir påvist av et gyrokompass. Posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen (forflytningen) oppnådd fira fartøysposisjonen og fartøyets kurs, blir ført gjennom Kalman-filteret ved trinn Sl 12 for å eliminere frekvenskomponenter for å oppnå en lavfrekvent posisjonsavvikelse og en lavfrekvent kursavvikelse (lavfrekvensdisplasement).

Den lavfrekvente posisjonsavvikelse og den lavfrekvente kursavvikelse blir ført gjennom andre grads derivativfilteret ved trinn Sl 13 for å beregne akselerasjon og vinkelakselerasjon. Ved trinn Sl 14, og ut fra den beregnede akselerasjon (a) og vinkelakselerasjonen (a), blir fartøyets virkende kraft (Ftotal) og fartøyets virkende moment (Mtotal) som virker på fartøyet, beregnet. Dette utføres ved å multiplisere akselerasjonen (a) med en virtuell masse (M) av skroget eller ved å multiplisere vinkelakselerasjonen (a) med et virtuelt inertiamoment (I) av skroget. Ved dette blir fartøyets virkende kraft (Ftotal) og fartøyets virkende moment (Mtotal) oppnådd.

I styrekraftens beregningsstrøm ved trinn Sl20, blir på en annen side responser fra aktuatorene 21-24 av fremdriftskraftens genereringsinnretning 20 påvist og data med bladvinkler 51, 82 av propell med variabel av hovedpropellene 21, 22, rotasjonstallene ni, n2, styrevinklene 83, 84, bladvinklene 85-58 av propellene med variabel stigning av styrepropellene 25-28, og dreiningstallene n5-n8 og lignende sendt til trinn Sl22. Ved trinn Sl22, blir en styrekraft (Fcmd (=Ifi (ni, 5i))), som er en totalsum av kreftene generert ved de respektive aktuatorer av fremdriftskraftens genereringsinnretning 20 beregnet som funksjoner (fi (ni, 6i), mi (ni, 8i)) av bladvinklene (eller styrevinklene) 6i, rotasjonstallene ni og styremomentet (Mcmd (=Zmi (ni, 8i))), beregnet. Ved dette kan styrekraften (Fcmd) og styremomentet (Mcmd) som er krefter generert av fremdriftskraftens genereringsinnretning 20, oppnås.

Ved trinn S131 av den langtidsvarierende kraftberegningsstrøm av trinn Sl30, blir styrekraften (Fcmd) og styremomentet (Mcmd) subtrahert fra fartøyets virkende kraft (Ftotal) og fartøyets virkende moment (Mtotal) beregnet i den virkende krafts beregningsstrøm. Gjennom dette blir den langtidsvarierende kraft (Fcw (=Ftotal • Fcmd)) og det langtidsvarierende moment (Mcw (=Mtotal • Mcmd)) beregnet. Ved trinn Sl32 blir kraften og momentet oppnådd ved å multiplisere den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment med minus, satt inn i den automatiske fartøysposisjonsholdestyring som FF-styrekraft (herunder momentet) og gitt forovermatestyringen.

Også FF-styrekraften omfatter vindtrykkskompensasjonsstyrekraften og styremomentet i forbindelse med vindtrykket. Basert på dataene for den relative vindretning og den relative vindkraft ut fira vindretnings/vindindikatoren, kan vindtrykket og vindtrykksmomentet som for tiden virker på fartøyet estimere i sann tid. Følgelig blir tidevannskraften, tidevannsmomentet, den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedritfsmomentet igjen ved å subtrahere det estimerte vindtrykk og vindtrykksmomentet fra FF-styrekraften. Når tidevannskraften og tidevannsmomentet ikke behøver å vurderes, kan alternativt den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedritfsmoment bli igjen.

Ifølge den automatiske styremetode for fartøysposisjonsholdingen og den automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding 20 i den andre utførelse, blir den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment som virker på fartøyet, bli påvist på et tidlig tidspunkt og forovermatestyringen for å kompensere for den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, herunder den langtidsvarierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedriftsmoment generert av bølger, bli utført. Følgelig kan posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen gjøres meget mindre enn med den konvensjonelle, automatiske styreenhet for fartøysposisjonsholding.

Den automatiske styremetode for fartøysposisjonsholding og det automatiske styresystem for fartøysposisjonsholding ifølge oppfinnelsen har ovennevnte utmerkede virkning og kan gjøre posisjonsavvikelsen og kursavvikelsen meget mindre enn den konvensjonelle, automatiske styring for fartøysposisjonsholding ved å utføre forovermatestyring for å kompensere for minst enten bølgedriftskraften og bølgedrifts-momentet gjennom estimering av minst enten bølgedriftskraften eller bølge-driftsmomentet som virker på fartøyet. Alternativt kan posisjonsavvikelsen gjøres svært meget mindre enn den konvensjonelle automatiske styreenhet for fartøysposisjons-holding ved å utføre forovermatestyring for å kompensere for den langtidsvarierende kraft gjennom estimering av den langtidsvarierende kraft og det langtidsvarierende moment, herunder minst enten den varierende bølgedriftskraft og det varierende bølgedritfsmoment som virker på fartøyet. Følgelig kan oppfinnelsen svært effektivt brukes som en automatisk styremetode for fartøysposisjonsholding og et dynamisk posisjoneringssystem for skip, f.eks. arbeidsbåter og forskningsskip og marine strukturer.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for automatisk styring for fartøysposisjonsholding (20), for å holde en fartøysposisjon og en fartøyskurs for et fartøy på sjøen, hvor en styring av fartøysposisjonsholdingen (20) utføres med en styring hvor minst én av bølgedriftskraft (S20) og et bølgedriftsmoment forårsaket av bølger blir beregnet, og en forovermatestyring blir utført for minst én av den beregnede bølgedriftskraft (S20) og bølgedriftsmoment, hvor bølgene som faller inn på fartøyet blir estimert fra en bevegelse av fartøyet (S21), og minst én av bølgedriftskraften og bølgedritfsmomentet blir beregnet fra de estimerte bølger hvor, en stamperepresentativ periode blir beregnet fra en stampemålt tidsrekke, en bølgeinnfallsvinkel blir estimert (S24) fra et målt responsforhold mellom en målt stamp og en målt rulling (S23) basert på den stamperepresentative periode ved å bruke en bølgeinnfallsvinkelestimeringstabell forberedt på forhånd, en stamperesponsverdi blir beregnet (S25) fra den stamperepresentative periode og bølgeinnfallsvinkelen ved å bruke en stamperesponsverditabell (T2) i korte, uregelmessige bølger med liten høyde forberedt på forhånd, karakterisert vedat en estimert tidsrekke av bølger (S26) blir beregnet ved å multiplisere den stampemålte tidsrekke med den inverse av stamperesponsverdien, og minst én av bølgedritfskraften (S27) og bølgedritfsmomentet blir beregnet ut fra den estimerte tidsrekke av bølger (S26).

2. Fremgangsmåte for automatisk styring av fartøysposisjonsholding ifølge krav 1,karakterisert vedat når minst en av bølgedritfskraften (S27) og bølgedriftsmomentet blir beregnet fra den estimerte tidsrekke av bølger (S26), fra en periode mellom null krysninger av den estimerte tidsrekke av bølger og bølgehøyden mellom null krysninger, blir minst én av bølgedriftskraft en/og bølgedritfsmomentet i vanlige bølger tilsvarende perioden og bølgehøyden per halve bølgelengde beregnet, og minst én av bølgedritfskraften og bølgedritfsmomentet i de vanlige bølger blir satt som minst én av bølgedriftskraft og bølgedriftsmomentet.

3. Fremgangsmåte for estimeringen av bølgedriftskraft for å estimere minst en av bølgedriftskraft og et bølgedritfsmoment som virker på et fartøy på sjøen,karakterisert vedat en stamperepresentativ periode blir beregnet ut fra en stampemålt tidsrekke, en bølgeinnfallsvinkel blir estimert fra et målt responsforhold mellom et målt stamping og en målt rulling (S23) basert på den stamperepresentative periode ved å bruke en bølgeinnfallsvinkels estimeringstabell forberedt på forhånd, en stamperesponsverdi blir beregnet (DD) ut fra den stamperepresentative periode og bølgeinnfallsvinkelen ved å bruke en stamperesponskoeffisienttabell (T2) i en kort, uregelmessig bølge forberedt på forhånd, estimert tidsrekke av bølger (26) blir beregnet ved å multiplisere den stampemålte tidsrekke med den inverse av stamperesponsverdien, og minst en av bølgedriftskraften (S20) og bølgedriftsmomentet blir beregnet ut fra den estimerte tidsrekke av bølger (S26).

4. Styreenhet for automatisk fartøysposisjonsholding for å holde en fartøysposisjon og en fartøyskurs på sjøen,karakterisert vedat styreenheten for fartøysposisjonsholding omfatter: måleanordning for fartøysposisjonen for å måle en bevegelse av fartøyet omfatter minst stamping og rulling, bølgeinformasjonsestimeringsanordning for å beregne en stamperepresentativ periode fra den stampemålte tidsrekke og estimere en bølgeinnfallsvinkel CC fra et målt responsforhold mellom et målt stamping og en målt rulling basert på den stamperepresentative periode ved å bruke en bølgeinnfallsvinkels estimeringstabell (Tl)forberedt på forhånd, stamperesponsverdiberegningsanordning for å beregne en stamperesponsverdi (DD) fra den stamperepresentative periode og bølgeinnfallsvinkelen ved å bruke en stamperesponskoeffisienttabell (T2) i en kort, uregelmessig bølge forberedt på forhånd, beregningsanordning for bølgetidsrekken for å beregne estimert tidsrekke av bølger ved å multiplisere den stampemålte tidsrekke med den inverse av stamperesponsverdien og beregningsanordning for bølgedriftskraft for å beregne minst en av bølgedriftskraften (EE) og bølgedriftsmomentet fra den estimerte tidsrekke av bølger.

5. Styreenhet for automatisk fartøysposisjonsholding ifølge krav 4,karakterisert vedat når bølgedriftskraftens beregningsanordning beregner minst én av bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet fra den estimerte tidsrekke av bølger, fra en periode mellom null krysninger av den estimerte tidsrekke av bølger og en bølgehøyde mellom de null krysninger, blir minst én av bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet i vanlige bølger tilsvarende perioden og bølgehøyden per halve bølgelengde beregnet, og minst én av bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet i den vanlige bølge blir satt som minst én av bølgedriftskraften og bølgedriftsmomentet.

6. Dynamisk posisjoneringssystem for å holde en fartøysposisjon og en fartøyskurs for et fartøy på sjøen,karakterisert vedat det dynamiske posisjoneringssystem omfatter: styreenhet for automatisk fartøysposisjonsholding ifølge krav 4 eller 5.