RU2207296C2

RU2207296C2 - Method of automatic pilotage of ship

Info

Publication number: RU2207296C2
Application number: RU2000125695A
Authority: RU
Inventors: Г.П. Лосев; С.А. Чернявский; В.А. Немтинов; Е.Н. Маханек; Л.Н. Коротаев; Т.Н. Ложкина; С.И. Зыков
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-производственное объединение автоматики
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: shipbuilding; pilotage of river ships. SUBSTANCE: proposed method includes measurement of present parameters of ship s motion making use of signals from angle-of-course, rudder and angular velocity sensors and navigational instrument. These data are compared with programmed magnitudes and signal formed according to results of comparison is furnished to steering gear. Programmed parameters of motion defining position of ship are determined by processing the signals received from navigation instrument at reference running of ship on preset route. EFFECT: enhanced accuracy and safety of motion. 2 cl

Description

Изобретение относится к области судовождения и может быть использовано для повышения точности автоматического управления судами. Задача повышения точности авторулевого особенно актуальна для речных судов в связи со следующим:
- значительная сложность фарватера, извилистость судового хода;
- большая протяженность внутренних водных путей (ВВП) РФ;
- тяжелые погодные условия;
- отсутствие навигационных карт крупного масштаба необходимой точности, значительные сроки и средства на их создание;
- ухудшение состояния средств навигационного оборудования судовых ходов, а в значительной части водных бассейнов РФ и их отсутствие.The invention relates to the field of navigation and can be used to improve the accuracy of automatic control of ships. The task of improving the accuracy of the autopilot is especially relevant for river vessels in connection with the following:
- significant complexity of the fairway, tortuosity of the ship;
- a large length of the inland waterways (GDP) of the Russian Federation;
- severe weather conditions;
- the lack of large-scale navigation maps of the required accuracy, significant time and means for their creation;
- deterioration of the state of navigational equipment aids, and, in a significant part of the RF water basins, and their absence.

Как следствие возникают экономические потери грузоперевозок, снижается безопасность движения по ВВП. As a result, there are economic losses in freight traffic, and traffic safety in terms of GDP is reduced.

В известных системах автоматического управления судном управляющие сигналы, подаваемые на рулевой привод, формируются в зависимости от рассогласования текущих параметров движения и программных. Для получения программных параметров, определяющих положение судна, на навигационной карте прокладывается маршрут, определяются координаты поворотных точек маршрута (ПТМ). In known automatic ship control systems, control signals supplied to the steering gear are generated depending on the mismatch of the current motion parameters and software. To obtain program parameters that determine the position of the vessel, a route is laid out on the navigation map, the coordinates of the turning points of the route (PTM) are determined.

Недостатком такого способа формирования программных параметров является сложность прокладки маршрута, отсутствие навигационных карт для большинства участков ВВП РФ. The disadvantage of this method of forming program parameters is the complexity of the route, the lack of navigation maps for most sections of the GDP of the Russian Federation.

Использование спутниковых навигационных систем (СНС) позволяет увеличить точность определения текущих координат судна, однако при определении координат с помощью СНС используется система координат WGS84, в то время как в навигационных картах используется система координат ПЗ-90. Таким образом, при перенесении координат ПТМ с навигационной карты в систему спутниковой навигации возможна ошибка до 45 м с вероятностью 95%, что для значительной части ВВП и некоторой части морей недопустимо. Кроме того, маршруты движения речных судов по ВВП требует значительного количества ПТМ и их расчет даже при наличии навигационных карт является очень трудоемкой процедурой. Using satellite navigation systems (SNA) allows you to increase the accuracy of determining the current coordinates of the vessel, however, when determining the coordinates using the SNA, the WGS84 coordinate system is used, while the navigation system uses the PZ-90 coordinate system. Thus, when transferring PTM coordinates from the navigation map to the satellite navigation system, an error of up to 45 m is possible with a probability of 95%, which is unacceptable for a significant part of the GDP and some part of the seas. In addition, the routes of riverboats in terms of GDP require a significant amount of PTM and their calculation, even with navigation charts, is a very time-consuming procedure.

Известно устройство для автоматической проводки судна, предназначенное для реализации управления движением морского судна, которое обеспечивает повышенную точность удержания судна при движении по заданной траектории, как при спокойном море, так и при сильном волнении моря. Авторулевой содержит датчики отклонения руля, угловой скорости, задатчик путевого угла, приемоиндикатор спутниковой навигационной системы (СПС), рулевой привод, блок оценки состояния и вычислительные устройства. Авторулевой для управления судном использует информацию о путевом угле и боковом сносе судна от приемоиндикатора СНС. (Устройство для управления движением судна, патент РФ 2150409, публ. 07.10.98, МПК 7 В 63 Н 25/00). A device for automatic piloting of a ship is known for implementing control of the movement of a marine ship, which provides increased accuracy of holding the ship when moving along a predetermined path, both in a calm sea and in strong sea waves. An autopilot contains sensors for steering deviation, angular velocity, a track angle adjuster, a satellite navigation system (SPS) receiver indicator, a steering gear, a state assessment unit, and computing devices. Autopilot uses the information on the track angle and lateral drift of the vessel from the SNS receiver indicator to control the vessel. (Device for controlling the movement of a vessel, patent of the Russian Federation 2150409, publ. 07.10.98, IPC 7 В 63 Н 25/00).

Недостатком выявленного в процессе патентного поиска аналога предлагаемого способа является отсутствие на участках разворотов заданной траектории, относительно которой определяется боковой снос судна, что не позволяет его использовать для сложного изрезанного фарватера реки. The disadvantage of an analogue of the proposed method identified during the patent search process is the absence of a predetermined path in the turns sections, relative to which the side drift of the vessel is determined, which does not allow it to be used for a complex rugged river channel.

Наиболее близким к предлагаемому является "Авторулевой судна" (заявка Японии 62-34597, публ. 28.07.87, МКИ В 63 Н 25/00), принятый в качестве прототипа, содержащий задатчик генерального курса, вырабатывающий сигнал отклонения от курса, схему, управляющую судном так, чтобы истинный курс судна совпадал с генеральным, навигационный прибор, определяющий положение судна на карте по сигналам от различных передающих пунктов, блок вычисления отклонения положения судна от расчетного положения на карте и схему, которая по выходным данным блока вычисления изменяет выходной сигнал задатчика генерального курса с целью уменьшения отклонения положения судна. Способ управления судном, реализующийся этим устройством, обеспечивает поддержание сигнала отклонения положения судна на уровне, не превышающем максимальную величину сигнала отклонения от курса, и позволяет стабилизировать боковое отклонение судна от заданной на карте траектории. Для этого используется информация о текущем и генеральном курсах судна, информация от навигационного прибора, определяющего текущее положение судна на карте, а управляющий сигнал на руль формируется так, чтобы истинный курс судна совпадал с генеральным, формируемым задатчиком, последний корректируется так, чтобы уменьшить отклонение текущего положения судна от расчетного на карте. Closest to the proposed one is the "Autopilot vessel" (Japanese application 62-34597, publ. 28.07.87, MKI B 63 H 25/00), adopted as a prototype, containing a master course master, generating a course deviation signal, a control circuit the vessel so that the true course of the vessel coincides with the general one, a navigation device that determines the position of the vessel on the map by signals from various transmitting points, a unit for calculating the deviation of the position of the vessel from the calculated position on the map, and a circuit that changes from the output of the calculation unit yields the output signal of the master setter in order to reduce the deviation of the position of the vessel. The ship control method implemented by this device maintains the signal of the deviation of the position of the vessel at a level not exceeding the maximum value of the signal of deviation from the course, and makes it possible to stabilize the lateral deviation of the vessel from the trajectory set on the map. For this, information on the current and general courses of the vessel, information from the navigation device that determines the current position of the vessel on the map are used, and the steering signal on the steering wheel is formed so that the true course of the vessel coincides with the general course formed by the setter, the latter is adjusted so as to reduce the deviation of the current position of the vessel from the calculated on the map.

Недостатком прототипа является то, что определение текущих и программных координат судна производится в разных системах координат, и невозможность использования авторулевого для участков рек, для которых отсутствуют навигационные карты. The disadvantage of the prototype is that the determination of the current and program coordinates of the vessel is carried out in different coordinate systems, and the inability to use the autopilot for sections of rivers for which there are no navigation maps.

Таким образом, выявленный в результате патентного поиска наиболее близкий к предлагаемому способ автоматической проводки судна не позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности управления судном на речных фарватерах. Thus, the closest to the proposed method of automatic piloting of a vessel identified as a result of a patent search does not allow to achieve a technical result consisting in increasing the accuracy of control of a ship on river fairways.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа автоматической проводки судна, осуществление которого позволяет достичь технический результат - повышение точности управления судном на речных фарватерах, в конечном итоге повышение безопасности движения экономичности перевозок. The present invention solves the problem of creating a method of automatic pilotage of the vessel, the implementation of which allows to achieve a technical result - improving the accuracy of control of the vessel on river fairways, ultimately increasing the safety of traffic economy of transportation.

Суть изобретения состоит в том, что в способе автоматической проводки судна, включающем измерение параметров движения судна от датчиков угла курса и угловой скорости, от датчика положения руля и навигационного прибора, определяющего текущее положение судна, их последующее сравнение с программными значениями данных параметров движения и формирование управляющего сигнала на рулевой привод в функции данных рассогласования и скорости судна, определяемой навигационным прибором, программные параметры движения, определяющие положение судна, получают путем обработки сигналов о положении судна от навигационного прибора при эталонном проходе судна по заданному маршруту, при этом выделяют участки судового хода, которые в зависимости от ширины участка судового хода аппроксимируют прямыми линиями, для которых программные значения угла курса постоянные, и криволинейные участки, соединяющие прямолинейные, которые аппроксимируют дугами круга радиуса разворота и переходными участками, при этом программные значения угла курса, угловой скорости, положения руля определяют в соответствии с упрощенной моделью движения судна в функции радиуса разворота, текущей скорости и времени. The essence of the invention lies in the fact that in the method of automatic piloting of the vessel, including measuring the parameters of the vessel’s motion from the heading and angular velocity sensors, from the rudder position sensor and the navigation device that determines the current position of the vessel, their subsequent comparison with the programmed values of these motion parameters and forming control signal to the steering gear as a function of the data of the mismatch and speed of the vessel, determined by the navigation device, software motion parameters that determine the position of the court a, obtained by processing signals about the position of the vessel from the navigation device with the reference passage of the vessel along a given route, while highlighting sections of the passage, which, depending on the width of the section of the passage, are approximated by straight lines for which the programmed course angle values are constant and curved sections connecting rectilinear, which are approximated by arcs of a circle of a radius of a turn and transitional sections, while the program values of the course angle, angular velocity, steering position are determined in accordance etstvii with a simplified model of the ship traffic in the function of the radius of the turn, current speed and time.

В предлагаемом изобретении формирование программы, задающей положение судна, и определение текущих координат судна производятся в одной и той же системе координат, так как для формирования программы используется запись текущих координат, определяемых приемником сигналов СНС, расположенным на судне, при эталонном проходе судна по заданному маршруту. При обработке записанной информации в результате аппроксимации выделяют прямолинейные участки маршрута и формируют программную ось судового хода, на стыке прямолинейных участков определяют поворотные точки маршрута, относительно которых производится программный разворот (криволинейный участок). Криволинейный участок записанного эталонного маршрута аппроксимируется дугой определенного радиуса с примыкающими для плавности перехода переходными участками. In the present invention, the formation of a program that sets the position of the vessel and the determination of the current coordinates of the vessel are performed in the same coordinate system, since the formation of the program uses the recording of the current coordinates determined by the SNA signal receiver located on the vessel with the reference passage of the vessel along a given route . When processing the recorded information as a result of approximation, rectilinear sections of the route are distinguished and the program axis of the ship's course is formed, at the junction of the rectilinear sections, turning points of the route are determined, relative to which the program turns (curved section). The curved section of the recorded reference route is approximated by an arc of a certain radius with transition sections adjacent to the transition smoothly.

При формировании разворота по радиусу программные значения остальных параметров движения определяются на основании упрощенной модели движения судна. When forming a radius turn, the program values of the remaining motion parameters are determined based on a simplified model of the vessel’s movement.

Таким образом, на участке разворота формируют все программные параметры, определяют боковое отклонение текущих параметров от программных и формируют управляющий сигнал, подаваемый на рулевой привод, что обеспечивает движение судна по заданной криволинейной траектории. Для расширения возможностей данного способа автоматической проводки судна для расхождения, обгона и других маневров на прямолинейном участке программной оси судового хода предусмотрена возможность проведения маневра ввода смещения, т.е. переход на смещенную ось судового хода, параллельную программной и отстоящую от нее на заданное расстояние, также предусмотрен маневр возврата для обеспечения дальнейшего движения судна по программной оси судового хода. Thus, at the headland, all program parameters are formed, a lateral deviation of the current parameters from the program is determined, and a control signal is generated that is fed to the steering gear, which ensures the vessel moves along a predetermined curved path. To expand the capabilities of this method of automatically navigating a ship for divergence, overtaking and other maneuvers in a straight section of the program axis of the ship's course, it is possible to maneuver an offset input, i.e. transition to a displaced axis of the ship’s passage parallel to the program axis and separated from it by a predetermined distance; a return maneuver is also provided to ensure further movement of the vessel along the program axis of the ship’s passage.

Маневр смещения предполагает проведение разворота для ухода с программной оси судового хода, движение по прямолинейному участку для отхода от программной оси судового хода, разворот для выравнивания судна по оси судового хода, параллельной программной. Соответственно, маневр возврата также включает два разворота, обеспечивающих уход с оси судового хода, параллельной программной, и постановку судна на программную ось судового хода и прямолинейный участок между ними. A maneuver of displacement involves a turn to leave the programmed axis of the ship, a straight line to move away from the program axis of the ship, a turn to align the ship along the axis of the ship, parallel to the program. Accordingly, the return maneuver also includes two turns, providing departure from the axis of the ship's course parallel to the program, and setting the vessel on the program axis of the ship's course and a straight section between them.

Предлагаемый способ может быть широко использован на речных судах для плавания по ВВП, а также для морских судов особенно в условиях сложных фарватеров и узкостей. The proposed method can be widely used on river vessels for sailing according to GDP, as well as for sea vessels, especially in conditions of complex fairways and narrownesses.

Проведенное моделирование, положительные результаты Межведомственных испытаний и ходовых испытаний на т/х "Владимир Маяковский" системы, реализующей предложенный способ, подтвердили получение заданной точности, качества управления и стабилизации речного судна на заданной траектории движения. The simulation, the positive results of the Interagency tests and sea trials on the Vladimir Mayakovsky vehicle, which implements the proposed method, confirmed the receipt of the given accuracy, control quality and stabilization of the river vessel on a given trajectory.

В соответствии с предлагаемым способом записано и обработано около 8000 км маршрутов (г.г. Пермь - Астрахань., г.г. Пермь - С.-Петербург - Москва и др. ) и успешно закончены ходовые испытания системы на т/х "Владимир Маяковский" по маршруту С. -Петербург - Москва (акт от 19.09.2000 о положительных результатах испытаний системы, подписанный зам. министра транспорта Н.Г.Смирновым). In accordance with the proposed method, about 8,000 km of routes were recorded and processed (Perm - Astrakhan., Perm - St. Petersburg - Moscow, etc.) and the sea trials of the system on m / v "Vladimir" were successfully completed Mayakovsky "along the route S. -Petersburg - Moscow (act dated 09/19/2000 on positive test results of the system, signed by Deputy Minister of Transport N.G. Smirnov).

Claims

1. A method of automatically navigating a vessel, including measuring the parameters of the vessel’s motion with heading and angular velocity sensors, a rudder position sensor, and a navigation device that determines the current position of the vessel, their subsequent comparison with the programmed values of these motion parameters, and generating a control signal for the steering gear in the function mismatch data and the speed of the vessel, determined by the navigation device, characterized in that the programmed motion parameters that determine the position of the vessel are obtained by processing the signals about the position of the vessel from the navigation device with the reference passage of the vessel along a given route, while highlighting sections of the ship's course, which, depending on the width of the section of the ship's course, are approximated by straight lines for which the programmed heading angle values are constant, and curved sections connecting rectilinear, which are approximated by arcs of a circle of a radius of a turn, and transitional sections, while the program values of the course angle, angular velocity, steering position are determined in accordance with simplified model of the vessel's motion as a function of turning radius, current speed and time.

2. The method according to claim 1, characterized in that the displacement by a predetermined distance relative to the program axis of the ship passage when performing maneuvers of divergence, overtaking by the command of the skipper is performed in a straight program section, for which a curved section is formed, which ensures the vessel to leave the given straight section, then a rectilinear section is formed, which ensures that the vessel leaves at a distance specified by the skipper from this rectilinear section, then a curved section is formed to align the vessel on the axis the course of the ship parallel to the original straight section, and for the return of the vessel at the command of the skipper in a straight section of movement relative to the reference, a curved section is formed to ensure the vessel moves in the direction that fulfills the displacement, a rectilinear section that ensures the completion of the displacement, and a curved section that provides the return ships to the software straight section.