автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Методы формирования программных движений в задачах маневрирования судна

На правах рукописи

Жук Александр Сергеевич

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ ДВИЖЕНИЙ В ЗАДАЧАХ МАНЕВРИРОВАНИЯ СУДНА

05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С ОЕЗ 2С12

Новороссийск - 2012

005009989

005009989

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф .Ушакова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Васьков Анатолий Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Савельев Виталий Гаврилович

кандидат технических наук Миронов Александр Владимирович

Ведущая организация:

ФБОУ ВПО "Волжская государственная академия водного транспорта"

Защита состоится 06 марта 2012 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д.223.007.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» в аудитории Б-1 по адресу: 353918, г.Новороссийск, пр.Ленина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» (г.Новороссийск, пр. Ленина, 93).

Автореферат разослан « 01» февралг ,,лп тп"

Ученый секретарь диссертационного Д.223.007.01, доктор технических нау

Хекерт Е.В.

Актуальность темы. Развитие технических средств и автоматизированных методов судовождения является одной из важнейших теоретических и технических проблем обеспечения безопасности мореплавания. Международные требования, 50ЬА5-74 (глава V, правило 34), 8ТС\М-78 (А-УШ/2, часть 2), Резолюция 1МО А-893(21), предписывают обязательное предварительное планирование рейса судна. Для реализации этих требований необходима разработка и совершенствование математических методов программирования траекторий и режимов движения судна, т.е. программирование маневров и движений судна для действующих навигационных условий плавания: ветров, волнения, течений, мелководья, опасностей, плотности и упорядоченности судопотока и т.д. Эти методы должны учитывать характер и тип решаемых судном задач, условия эксплуатации, маневренные качества судна как объекта управления, навигационные опасности, правила плавания и т.д. Программы движений судна должны быть совместимы с кинематическими параметрами движения судна и ресурсами системы управления, определяемыми управляемостью, поворотливостью и инерционнотормозными характеристиками при заданной загрузке и посадке судна, мощности средств управления, а также учитывать состояние окружающей внешней среды.

В настоящее время процессы судовождения в открытом море являются уже достаточно автоматизированными. Однако прибрежное плавание и маневрирование в портовых водах основываются, главным образом, на практическом опыте судоводителя, реализующего управление командами на выполнение управляющих воздействий. При этом вероятность ошибки управления существенно возрастает, если условия, в которых выполняется управление, не соответствуют практическому опыту судоводителя.

Таким образом, большое влияние на безопасность судовождения, особенно в сложных навигационных условиях, оказывает человеческий фактор, который,

как известно из различных источников, является причиной около 83% аварийных случаев в мировой практике судовождения.

Часто решения о выборе того или иного управляющего воздействия принимаются в условиях дефицита времени, постоянно меняющейся навигационной обстановки и скоротечности сложных маневров, при этом часто у судоводителя практически не остается возможности для коррекции управления, что не оставляет ему права на ошибку при принятии очередного решения. Поэтому возникает необходимость разработки и исследования методов программирования целенаправленного движения судна в сложных навигационных условиях.

Степень разработанности проблемы программирования движения характеризуется, с одной, стороны наличием теоретических исследований программного управления движением тел, а с другой - сложностью внедрения и применения некоторых методов на практике для заданных условий эксплуатации, обстановки, типа объекта управления и т.д.

Теоретические аспекты программирования движения тел и исследования систем управления движением рассматривались в научных трудах

B.И.Васильева, С.В.Емельянова, Г.В.Коренева, Н.Н.Красовского, А.В.Небылова, A.A. Первозванского, В.В.Солодовникова, Я.З.Цыпкина, A. Bensoussan,

C.А. Desoer, Е. Hendricks, J. Levine, K. Najim, A.C. Smith и др.

Вопросы автоматизации процессов судовождения, управления судном и некоторые приложения методов программирования движения судна рассматривались в научных работах А.С.Васькова, С.П.Дмитриева, А.А.Мироненко, А.Е.Пелевина, В.Г.Пешехонова, А.И.Родионова, А.Е.Сазонова, К. Nomoto, R. Smierzchalski, Т. Tanaka, G Xuan, R. Zhang, M. Zong и др.

Вместе с тем остаются недостаточно разработанные вопросы непосредственно программирования целенаправленных движений судна с учетом особенностей конкретизируемого типа объекта управления и ограничений, накладываемых навигационной обстановкой, маневренными характеристиками, состоянием внешней среды, правилами плавания и т.д. Это в

свою очередь определяет постановку цели и задач диссертационного исследования.

Целью диссертации является разработка и исследование методов формирования и программирования целенаправленных движений судна.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Принципы программирования целенаправленного движения судна на основе взаимной геометрической ориентировки объектов элементами типа «точка - точка», «точка - линия», «линия - точка», «линия - линия»;

2. Методика формирования программ целенаправленного движения судна на основе метода «аркана», уравнений кривых второго порядка и кусочнолинейных элементов;

3. Методика построения программ маневрирования судна для расхождения с объектами и опасностями на основе метода зон навигационной безопасности;

4. Алгоритмы обеспечения программного движения судна.

Объектом исследования является программирование целенаправленных движений судна, как совокупность методов и средств навигации и судовождения.

Область исследования - разработка методов и алгоритмов формирования программ движения судна для обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства.

Методы исследования. Основой теоретических и прикладных исследований диссертации являются результаты и достижения автоматизации процессов навигации и управления судном, методы механики управляемого движения и оптимизации, визуального программирования, методы математического и компьютерного моделирования.

Эмпирической базой обеспечения достоверности теоретических положений и практических выводов являются экспериментальные маневренные качества судов и компьютерное моделирование процессов программирования целенаправленного движения и алгоритмов обеспечения программного движения судна.

Научная новизна исследований, выдвигаемых на защиту:

1. Методика построения полных программ целенаправленного движения судна отличается обеспечением принципами кинематической и динамической совместимости траекторий и режимов движения судна для решения навигационных задач на основе взаимной геометрической ориентировки объектов;

2. Алгоритмы конструирования целенаправленного движения и обеспечения программного движения судна отличаются принципами дополнения целей и адаптации к окружающей обстановке;

3. Технология программирования всех кинематических характеристик управляемого судна обеспечивает безопасность маневрирования в зависимости от текущей обстановки, классифицируемой навигационными зонами.

Теоретическая значимость полученных результатов заключается в создании современных научных технологий формирования целенаправленного движения и управления судном по заданной полной программе в различных условиях плавания.

Практическая ценность результатов заключается в доведении исследований до уровня алгоритмической реализации, на основе которых могут создаваться опции программирования целенаправленного движения и управления судном в различных условиях плавания для тренажеров, судовых автоматизированных навигационных комплексов и береговых СУДС.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обобщением существующих информационных источников; использованием методов апробированного математического аппарата и механики управляемого объекта; практической проверкой выдвигаемых основных положений компьютерным моделированием и сравнением расчетных величин с натурными и тренажерными данными.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации относятся к Федеральной целевой программе "Развитие гражданской морской техники" на 2009 - 2016 годы, являются частью НИР кафедры Судовождения МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова “Алгоритмизация и оптимизация процессов навигации и

управления судном на основе перспективных технологий” (№ГР01201000122; Инв.№ 02201001413), программы для ЭВМ «Модель программного движения судна (Ship manoeuvre)», внедрены при совершенствовании Правил маневрирования судов в порту Новороссийск и в программы тренажерного обучения МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-практических конференциях МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (Новороссийск, 2009 - 2011), на XVIII Международной конференции «Математика. Экономика. Образование». VI международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложения». Междисциплинарный семинар «Информационно-коммуникационные технологии» (Новороссийск, 2010), на IX Региональной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных статьях, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Общий объем диссертации 142 страницы включает содержание 2 страницы, введение 6 страниц, четыре раздела 122 страницы, 73 иллюстрации и 3 таблицы, заключение 2 страницы, список литературы из 108 наименований 9 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и задачи исследования, приводятся основные результаты работы.

В первой главе рассматриваются основные принципы процессов программирования движения судна. Формализуются и систематизируются понятия задачи, цели, представления, программы движения судна, ошибки управления, программного объекта, кинематической и динамической совместимости движений.

Все целенаправленные движения судна сводятся к тому, чтобы поставить его в заранее заданные отношения с внешними объектами. Для этого судно (управляемый элемент) и внешние объекты (неуправляемые элементы) заменяются их образами: точками или связанными с ними линиями, в частности прямыми. Выделяются возможные типы программирования движений, которые классифицируются по видам решаемых задач управления судном (таблица 1).

Таблица 1 - Классификация задач движения судна

Задача движения судна Тип программирования движения (соотношение элементов)

Управляемый элемент Неуправляемый элемент

- движение по заданной траектории т Л Л

- выход в заданную путевую точку т Л Т

- выход на линию заданного пути (ЛЗП) т Л л

- маневрирование и подход к якорному месту,БВМ и т.д. Т Л Т

к причалу, БЫрЧо-БЫр и т.д. Т Л л

- предотвращение столкновения (ситуации опасного сближения) Т Л Т л

- обход навигационной опасности точечной Т Л Т

протяженной Т Л л

Возникает необходимость математического описания программного изменения взаимных расположений управляемых и неуправляемых элементов, т.е. построения программ движения судна, а также разработки алгоритмов и технологии программирования управляемого движения судна.

Во второй главе исследуются методы программирования движения для решения различных задач управления судном: швартовка лагом или кормой, подход судна к якорному месту, выход судна в заданную точку или на линию заданного пути (ЛЗП), движение по траектории, заданной в виде отрезка гладкой кривой, или кусочно-линейной траектории (задачи сопряжения

программ), сохранение заданного режима движения судна. Наибольший интерес с точки зрения соответствия метода особенностям решаемых судном задач и удобства математического описания движения представляют программы на основе метода «аркана», а также уравнений кривых второго порядка.

В судовождении основной задачей движения является перемещение судна в заданную точку, которую можно свести к классической задаче «аркана», заключающейся в удержании судна на замкнутой программной линии, которая в течение конечного промежутка времени стягивается в заданную точку А рисунок 1.

Если задать программную линию метода «аркана» в виде окружности, то для того чтобы осуществить программное движение, достаточно, чтобы система управления измеряла только одну ошибку управления - расстояние от судна до программной окружности, это приводит к измерению дальности до точки А, и осуществляла управление, которое изменяло бы дальность по заданному закону. Уравнение окружности «аркана» имеет вид

(Др(/))*+(Д*(/))* =(г(/))\ (1)

где А<р(1),А'И'(1) - разность широт и отшествие между начальной позицией

центра масс судна G и заданной точкой А, соответственно; r(t) - радиус окружности «аркана».

Программа «аркана» является неполной, так как состоит из одного уравнения, и может быть дополнена различными способами.

В частном случае программу «аркана» можно дополнить постановкой дополняющей задачи движения судна по прямой линии вЛ. Эта прямая линия может либо сохранять постоянное направление, либо вращаться заданным образом. Направление прямой линии в А можно определить с помощью оператора маневрирования Я, определяемого пеленгом на заданную точку А. Если параметр Я остается постоянным, то сближение будет параллельным; если Я - переменный, то возникает более общий случай сближения.

В качестве программы изменения пеленга Я с судна на заданную точку А принимается уравнение

где Я0,ЯГ - значения пеленга Я в начале и в конце маневра, соответственно; г - время маневра.

Траектория, построенная в соответствии с программой (2), имеет максимальную кривизну в середине движения и нулевую в начале и конце движения, что удобно использовать при программировании поворотов.

Вид функции г(/) определяет режим движения судна. Чтобы обеспечить плавные разгон и торможение, можно выбрать г(1) следующим образом

Формирование программных объектов - траекторий движения судна на основе уравнений кривых второго порядка является перспективным, позволяет обеспечивать безопасность плавания в условиях заданной навигационной обстановки и одновременно программировать движения, осуществимые для

(2)

1 + COS —

(3)

/

заданных маневренных качеств судна. Удобным вариантом формирования главной программы траектории и режима движения судна является эллипс рисунок 2, представленный параметрическим уравнением

* = asin<p; y = bcos<p, (4)

где х,у - координаты судна в системе маршрутных локальных прямоугольных координат;

а,Ъ - полуоси эллипса; ç - параметр, учитывающий направление вектора скорости судна.

После преобразований из

уравнений (4) получается программа изменения направления вектора скорости судна (путевого угла)

& = . F (5)

dt yJa2cos1ç + b2$in1 <р

где V - линейная скорость судна.

В целом план перехода судна состоит из прямолинейных и криволинейных участков программной траектории. Выбор оптимальной программы на каждом участке зависит от множества факторов: ширины и глубины фарватера, наличия навигационных опасностей, метеоусловий, скорости и направления течения, местных правил плавания и связанных с ними ограничений, скорости движения судна и др.

Заданная траектория движения судна представляет собой совокупность N участков маршрута, уравнения программ которых заданы в параметрической форме

¿¡=4(а); i = l,2,3,..JV, (6)

где а = а(г) - параметр, определяющий вид и кривизну участков маршрута.

программной траектории на основе уравнения эллипса

Участки с соседними номерами сопрягаются; это происходит при значениях параметра, при которых удовлетворяются соотношения

где ам - значение параметра в момент сопряжения участков с номерами / и ¡+1.

Тогда движение судна по заданной кусочно-линейной траектории можно определить серией программ типа

где т1 - время движения судна по /-му участку кусочно-линейной траектории.

Каждая из предлагаемых программ является математической моделью цели движения судна. Для решения вопроса о возможности реализации программного движения необходимо на основе принципа совместности получить условия кинематической и динамической совместимости программы и действительного закона движения судна.

В третьей главе разрабатываются программы обхода навигационных опасностей на основе методов линий (зон) навигационной безопасности. Они заключаются в использовании линии (системы линий), окружающей судно и обладающей тем свойством, что навигационная опасность, находящаяся от судна дальше этой линии, не представляет опасности для движения судна.

(8)

Линия ' навигационной безопасности задана в виде эллипса рисунок 3. Если при движении препятствие А попадает на линию эллипса безопасности, то необходимо, чтобы судно двигалось таким образом, чтобы препятствие не проникло внутрь эллипса. Таким образом, уравнение эллипса безопасности представляет собой программу движения судна. Чтобы обеспечить предотвращение

столкновений, параметры линии навигационной безопасности

должны зависеть от динамических характеристик судна. Основной такой характеристикой является тормозной путь 5, который зависит от скорости движения судна и представляется функцией

$ = *(**+У2), (9)

где к - коэффициент безопасности.

Большая и малая полуоси эллипса безопасности а^Б, Ъзнб заданы в виде

азнв = + 51); 6ЗНЯ =£(£ + £), (10)

где А,В,Ь - постоянные.

Координаты препятствия Х,¥ в системе координат хйу, связанной с судном, определяются из выражений

Х = {х'А -х')$\пК+ (у'л-у')со$К\ У = -(х’А-х')со5К + (у'л-у')5тК, (11)

где К - курс судна.

Тогда уравнение программной линии запишется следующим образом

F = Б2Z2 + Л2F2-^2fi2(L + 5')2= 0. (12)

Таким образом, уравнение программы (12) включает первые производные

Рисунок 3 - Зона навигационной безопасности в форме эллипса: б - центр масс судна; А - точечное препятствие

координат судна х' у', и курс судна К в конечном виде.

В четвертой главе разрабатываются алгоритмы и технология конструирования программного движения судна, и выполняется моделирование движения судна по заданным программам.

Главную программу движения судна (1) для целей моделирования удобно записать в параметрической форме

х'0=х'А-гйпП\ у'с=у'л-гс,о%П, (13)

где х'а,у'в,х'л,у'А - координаты в неподвижной прямоугольной системе координат центра масс судна в и заданной точки А, соответственно (см. рисунок 1);

С учетом дополняющих программ (2), (3) система уравнений (13) примет

вид

(14)

Хг.=Х.-<Г„-

.,+їіп!Н). І!Іп|л,+і(Яг-Я,) 1 . к( Л 1 + БШ— / г ^ 21 н

и,1птИ1 }«*{п.+5(я,-я») н

Уа=Ул~

Так как судно, движущееся в горизонтальной плоскости, обладает тремя степенями свободы, то для получения полной программы движения судна необходимо дополнить программу (14) уравнением программы вращательного движения судна в удобном для практического применения виде (через скорости изменения координат судна)

К = агcfg

Ув

-аА

(15)

где адр - угол дрейфа судна на повороте.

Совокупность уравнений (14), (15) представляет собой полную программу движения судна, которая единственным образом определяет закон движения судна без привлечения динамических уравнений.

Структурная схема модели движения судна по программе (14), (15) изображена на рисунке 4.

Для получения уравнений динамики целенаправленного движения судна

осуществляется синтез причинной механики и субъективной цели управления на основе принципа совместности на динамическом уровне, т.е. уравнения естественного движения судна трансформируются таким образом, чтобы они стали совместными с программой движения. Эта задача сводится к определению конфигурации необходимых управляющих воздействий на основе решения первой задачи динамики в блоке «Уравнения динамики».

Рисунок 4 - Структурная схема модели программного движения судна

Кинематические характеристики программного движения судна по результатам моделирования представлены на рисунках 5-8.

Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных подхода танкера «Minerva Symphony» к ВПУ морского терминала КТК-Р порта Новороссийск рисунок 9 показывает хорошую сходимость моделирования с экспериментальными данными.

У.М 3000

2500 2000 / / уГ'“' ".

1500

1000 / 1 .

500 /

Г 500 юоо 1500 2000 2500 XVM 3000

Рисунок 5 - Программная траектория движения судна

Рисунок 6 - Программа изменения скорости судна

Рисунок 7 - Программа изменения курса судна

Рисунок 8 - Программное изменение угловой скорости поворота

Рисунок 9 - Изменение линейной скорости и курса танкера «Minerva Symphony». 1 - результаты моделирования; 2 - экспериментальные данные

Таким образом, модель управляемого программного движения судна подтверждает работоспособность полученных алгоритмов при решении конкретных задач маневрирования, совместимость движений на динамическом уровне и динамическую достаточность системы управления.

Для решения задачи движения судна по траектории - кривой второго порядка, заданной в виде эллипса (см. рисунок 2), в качестве главной программы принимается уравнение (5). Структурная схема, обеспечивающая численное решение уравнения (5) для задачи движения судна по программной траектории (4) с постоянной линейной скоростью, т.е. формирование закона поступательного движения судна х(1),у((), представлена на рисунке 10.

Скорость уз И2

1/зцг1(и)

Ь*Ь*эт(и)Л2

а*а*соэ(и)л2

> а*зіп(и) <¡5

1'

Ь*соБ(и) КЮ УЮ

Рисунок 10 - Программирование траектории и режима движения судна

Программа (5) дополняется уравнением вращательного движения судна аналогичным программе (15). Совокупность моделей поступательного и вращательного движений судна образует полную модель программного движения судна рисунок 11. Возможность реализации полученного программного движения судна определяется в результате применения принципа совместности на динамическом уровне и решения первой задачи динамики в блоке модели «Уравнения динамики».

Кинематические характеристики программного движения судна по результатам компьютерного моделирования представлены на рисунках 12 - 15. Кинематические характеристики соответствуют поставленной задаче движения судна по дуге эллипса (см. рисунок 12) с постоянной скоростью (см. рисунок

13), при этом определяются требуемые режимы изменения курса судна (см. рисунок 14) и угловой скорости поворота (см. рисунок 15).

Результаты моделирования позволяют сделать вывод о кинематической и динамической совместимости программы движения судна на основе уравнения кривой второго порядка и действительного закона движения судна. Таким образом, предложенная методика программирования движения судна может быть реализована при условии динамической достаточности системы управления.

du/dt X

CZN

Программирование траектории и режима движения судна

*(t) Угол дрейфа

У(») К

V Fx (t)

Угол дрейфа Fy (t)

К Мг (t)

а

Fx

Fy

□

Mz

Программирование курса судна

Уравнения

динамики

Рисунок 11 - Полная модель программного движения судна

X, м 4000 20г ' 18

3000 / - 14 м 12

2000 / о 5 ю ' > 8

1000 6 ' 4

1000 2000 3000 У. М - °o 4000

100

200 300

t, sec

400

500

Рисунок 12 - Траектория движения судна Рисунок 13 - Линейная скорость

Рисунок 14 - Курс судна

Рисунок 15 - Скорость поворота

Для программирования маневра предотвращения столкновения использован метод линий навигационной безопасности (см. рисунок 3), уравнения которых определяют программу движения судна (12).

До момента возникновения опасности столкновения движение судна можно считать естественным в том смысле, что отсутствуют управляющие воздействия в соответствии с программой (12). В момент контакта линии навигационной безопасности с опасным объектом включается программа (12), для выполнения которой система управления вырабатывает управляющее воздействие.

Структурная схема модели программного движения судна для предотвращения столкновения изображена на рисунке 16.

Траектория

і іреооразованиеі—^— программа ---------

[¡=¡1 координат у'(Ц движения Блок —Н1—1 пптимизаиии

Управляющее воздействие

Рисунок 16 - Структурная схема модели программного движения судна для предотвращения столкновения

В блоке «Уравнения динамики» решается вторая задача динамики - по заданным естественным силам, действующим до момента включения программы (12), и программному управляющему воздействию определяются продольная, поперечная скорости Ух(і),Уу({) и курс судна К (і), которые преобразуются в проекции скорости судна на оси прямоугольной неподвижной системы координат х'Оу'. После интегрирования получается программный закон движения судна х'{ґ),у'{ґ).

Никакая система управления не может реализовать программу абсолютно точно. Мера точности выполнения программы оценивается ошибкой управления, которую можно определить, подставив в уравнения программы действительный закон движения судна. Это реализовано в блоке субмодели «Программа движения» рисунок 17. Если действительное и программное движения судна совпадают, то при подстановке действительных значений координат судна в уравнения программы получается ноль, т. е. уравнения программы удовлетворяются тождественно. Если действительные значения координат судна отличаются от программных, то в результате такой подстановки получается величина, отличная от нуля, которая и представляет собой ошибку управления Е рисунок 18.

Рисунок 17 - Структурная схема субмодели «Программа движения»

Рисунок 18 - Ошибка управления

Блок оптимизации (см. рисунок 16) организует автоматизированный поиск варьируемых параметров управляющего воздействия, при которых переходной процесс удовлетворяет некоторым условиям по ошибке управления (см. рисунок 18), а значит и реализуемой траектории рисунок 19.

' 1 1 1 у, м ; . ... : і , . I ■ , -

1000 _ ; -

2000 -

.. . і . 2000 і 4000 .. . г ■ * * * • 6000 І8000 X. М ’ ( і ... і ....

Рисунок 19 - Траектория движения судна при обходе препятствия

Модель программы маневра для предотвращения столкновения подтверждает работоспособность полученных алгоритмов, возможность реализации предложенной методики программирования движения судна, определяет степень соответствия движения судна заданной программе, ошибку управления на основе решения второй задачи динамики (по заданным силам определяется закон движения путем интегрирования уравнений динамики), оптимизирует программное воздействие, решает вопрос о динамической достаточности системы управления и необходимых динамических ресурсах.

В заключении по результатам диссертационных исследований формулируются следующие выводы:

1. Дан анализ общих принципов программирования движения и систематизированы основные требования к процессам программирования движения судна. Сформированы типы программирования движений на основе геометрических соотношений (точек и линий) управляемых и неуправляемых элементов, которые классифицированы по видам решаемых задач управления судном.

2. Создана технология конструирования моделей целенаправленного движения судна как совокупность методов программирования движений, принципов совместимости движений, дополнения целей, адаптации к навигационной обстановке, алгоритмов обеспечения программного движения судна.

3. Разработаны методы формирования полных программ движения судна (траектории и режимы) на основе способа «аркана» и уравнений кривых второго порядка и при маневрировании для расхождения с точечными и протяженными навигационными опасностями на основе метода линий и зон навигационной безопасности.

4. Сформулированы условия кинематической и динамической совместимости программ движения судна и действительного закона движения судна в виде конфигурации необходимых управляющих воздействий.

5. Методы и алгоритмы программирования типовых задач движения судна . доведены до уровня программного обеспечения, позволяющего мпгтегшрп-

вать и оптимизировать программные движения судна. По решению первой задачи динамики определяется приближенная конфигурация управляющих воздействий, реализующих программное движение судна. По решению второй задачи динамики численным интегрированием уравнений движения судна определяются действительный закон движения, траектория, ошибка управления. Результаты моделирования подтверждают работоспособность полученных методов и алгоритмов.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ

1 Жук, A.C. Решение задач управления судном методами программирования движения [Текст] / A.C. Васьков, A.C. Жук // Эксплуатация морского транспорта. - 2010. - № 3 (61). - С. 34 - 38. (Номер ВАК 2090, ред.22.07.11)

2 Жук, А.С. Конструирование и моделирование программных движений судна [Текст] / A.C. Жук // Эксплуатация морского транспорта. - 2010. - № 4 (62). - С. 41 - 45. (Номер ВАК 2090, ред. 22.07.11)

3 Жук, A.C. Программирование движения судна на основе уравнений кривых второго порядка [Текст] / A.C. Жук // Эксплуатация морского транспорта. - 2011. - № 2 (64). - С. 25 - 29. (Номер ВАК 2090, ред. 22.07.11)

Другие публикации

4 Жук, А.С. Программирование движения судна [Текст] / A.A. Васьков, A.C. Жук // Сб. науч. трудов. Вып.13. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2009. - С. 90 - 92.

5 Жук, А.С. Моделирование и оптимизация процесса управления движением судна в среде Simulink [Текст] / A.C. Жук // Молодая наука - 2009: Материалы IX городской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2009. - С. 197 -200.

6 Жук, А.С. Моделирование управляемого движения судна [Текст] / A.C. Жук // Новое поколение в науке - 2009: Сборник тезисов докладов академической научно-практической конференции курсантов. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2010. - С. 3 - 4.

7 Жук, А.С. Программирование режима движения судна [Текст] / A.C. Жук // XVIII Международная конференция «Математика. Экономика. Образование». VI международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложения». Междисциплинарный семинар «Информационно-коммуникационные тех-

нологии». Тезисы докладов. - Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ ЮФУ, 2010. - С. 158-159.

8 Жук, А.С. Программирование режима движения судна [Текст] / A.C. Жук // XVIII Международная конференция «Математика. Экономика. Образование». VI международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложения». Междисциплинарный семинар «Информационно-коммуникационные технологии». Труды. - Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2010. - С. 93 - 97.

9 Жук, А.С. Программирование движения судна при обходе препятствий [Текст] / A.C. Жук // Сборник научных трудов. Выпуск 15. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2010. - С. 40-44.

10 Жук, А.С. Программирование движения судна с учетом зоны навигационной безопасности [Текст] / A.C. Жук К Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: мат. конф. / IX Региональная науч.-техн. конф. 17 - 18 декабря 2010г. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2011.-С. 22.

Подписано в печать 23.12.11. Формат 60x80 1\16. Тираж 100. Заказ 2202 Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

61 12-5/1676

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО «МОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ

АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»

На правах рукописи

Жук Александр Сергеевич

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ ДВИЖЕНИЙ В ЗАДАЧАХ МАНЕВРИРОВАНИЯ СУДНА

Специальность 05.22.19 - «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Васьков A.C.

Новороссийск - 2011

Содержание

Введение...................................................................................................4

1 Принципы процессов программирования движения судна...........10

1.1 Постановка задачи...................................................................................................10

1.2 Программирование движения судна...................................................................15

1.3 Классификация задач программирования движения судна........................22

1.4 Технология программирования движения судна...........................................27

1.5 Принцип совместности...........................................................................................33

1.6 Замыкание управления и адаптация движения судна ...............................37

1.7 Конструирование процесса управления движением судна.......................37

2 Методы программирования движения судна................................51

2.1 Методы программирования движения судна в задачах типа «линия - линия».................;.......................................................................................51

2.2 Методы программирования движения судна в задачах типа «линия - точка» и «точка - линия»...................................................................55

2.3 Программирование движения судна на основе способа «аркана».........56

2.4 Программирование движения судна в виде управляемой материальной точки..................................................................................................60

2.5 Программирование движения судна по гладкой кривой траектории...................................................................................................................62

2.6 Программирование скорости движения судна................................................63

2.7 Программирование движения судна на основе уравнений кривых второго порядка........................................................................................................65

2.8 Программирование движения судна по кусочно-линейной траектории...................................................................................................................69

3 Программирование обхода навигационных опасностей................71

3.1 Задачи обхода навигационных опасностей и адаптации движения судна..............................................................................................................................71

3.2 Метод линий (зон) навигационной безопасности.........................................72

3.3 Программирование обхода точечной навигационной опасности...........74

3.4 Программирование обхода протяженной навигационной опасности......................................................................................................................79

3.5 Программирование зоны навигационной безопасности в виде эллипса..........................................................................................................................82

3.6 Программирование адаптации движения судна.............................................85

4 Моделирование программных движений судна............................ 88

4.1 Задача математического моделирования движений судна...................... 88

4.2 Математическое моделирование динамики движения судна................. 89

4.3 Технология структурного моделирования динамики судна.................... 96

4.4 Реализация модели «аркана».............................................................................. 98

4.5 Модель программного движения судна на основе способа «аркана»......................................................................................................................101

4.6 Модель программного движения судна на основе уравнений кривых второго порядка.......................................................................................115

4.7 Модель программного движения судна с учетом зоны навигационной безопасности..............................................................................120

4.8 Модель программы маневра для предотвращения столкновения.........125

Заключение............................................................................................132

Список литературы...............................................................................134

Введение

Развитие технических средств и автоматизированных методов судовождения является одной из важнейших теоретических и технических проблем обеспечения безопасности мореплавания. Международные требования, 80ЬА8-74 (глава V, правило 34), 8ТС\У-78 (А-У1П/2, часть 2), Резолюция 1МО А-893(21), предписывают обязательное предварительное планирование рейса судна. Для реализации этих требований необходима разработка и совершенствование математических методов программирования траекторий и режимов движения судна, т.е. программирование маневров и движений судна для действующих навигационных условий плавания: ветров, волнения, течений, мелководья, опасностей, плотности и упорядоченности су-допотока и т.д. На основе этих данных осуществляется процесс управления судном, который сводится к выработке управляющих воздействий на средства управления судном в виде перекладки руля, изменения частоты вращения и угла атаки лопастей движителя, режима работы подруливающего устройства.

Эти методы должны учитывать характер и тип решаемых судном задач, условия эксплуатации, маневренные качества судна как объекта управления, навигационные опасности, правила плавания и т.д. Программы движений судна должны быть совместимы с кинематическими параметрами движения судна и ресурсами системы управления, определяемыми управляемостью, поворотливостью и инерционно-тормозными характеристиками при заданной загрузке и посадке судна, мощности средств управления, а также учитывать состояние окружающей внешней среды.

В соответствии с программой движения система управления должна вырабатывать управляющие воздействия. При этом на практике программное движение, как правило, не представляется возможным реализовать абсолютно точно. При реализации программы движений будут появляться ошибки управления судном, т.е. отклонения действительного движения судна, определяемого основными законами механики, от программного - желаемого движения судна, определяемого целью и задачей управления [19, 37, 48 - 50, 70]. Появление ошибок управления связано с допущениями и приближениями в математических моделях динамики судна, неточ-

ной оценкой действующих на судно сил и моментов и степени их влияния на кинематические характеристики движения, несоответствие расчетных и действительных внешних воздействий и т.д.

В настоящее время процессы судовождения в открытом море являются уже достаточно автоматизированными. Однако прибрежное плавание и маневрирование в портовых водах основываются, главным образом, на практическом опыте судоводителя, реализующего управление командами на выполнение управляющих воздействий. При этом вероятность ошибки управления существенно возрастает, если условия, в которых выполняется управление, не соответствуют практическому опыту судоводителя. Как правило, в этом случае оценка адекватности команд на выполнение управляющих воздействий происходит последовательно, «методом проб и ошибок» [62].

Таким образом, большое влияние на безопасность судовождения, особенно в сложных навигационных условиях, оказывает человеческий фактор, который, как известно из различных источников, является причиной около 83% аварийных случаев в мировой практике судовождения.

Часто решения о выборе того или иного управляющего воздействия принимаются в условиях дефицита времени, постоянно меняющейся навигационной обстановки и скоротечности сложных маневров, при этом часто у судоводителя практически не остается возможности для коррекции управления, что не оставляет ему права на ошибку при принятии очередного решения.

На основе исследований [85] очевидно, что управлять судном, полагаясь только на практический опыт и интуицию, означает сознательно повышать вероятность возникновения аварийной ситуации, развитие которой может привести к серьезным и даже катастрофическим последствиям. Поэтому возникает необходимость разработки и исследования методов программирования целенаправленного движения судна в сложных навигационных условиях.

Степень разработанности проблемы программирования движения характеризуется, с одной, стороны наличием теоретических исследований программного

управления движением тел [5, 16, 48 - 50, 54, 55, 59, 86, 87, 92 - 94, 96, 98, 101, 105],

5

а с другой - сложностью внедрения и применения некоторых методов на практике для заданных условий эксплуатации, обстановки, типа объекта управления и т.д. [4, 13,17, 18, 21, 30, 33, 60 - 62, 65, 66, 70, 74, 81, 85, 104, 106, 108].

Теоретические аспекты программирования движения тел и исследования систем управления движением рассматривались в научных трудах В.И.Васильева, С.В.Емельянова, Г.В.Коренева, Н.Н.Красовского, А.В.Небылова, A.A. Первозван-ского, В .В. С ол од овникова, Я.З.Цыпкина, A. Bensoussan, С.А. Desoer, Е. Hendricks, J. Levine, К. Najim, A.C. Smith и др.

Вопросы автоматизации процессов судовождения, управления судном и некоторые приложения методов программирования движения судна рассматривались в научных работах А.С.Васькова, С.П.Дмитриева, А.А.Мироненко, А.Е.Пелевина, В.Г.Пешехонова, А.И.Родионова, А.Е.Сазонова, К. Nomoto, R. Smierzchalski, Т. Та-naka, G. Xuan, R. Zhang, M. Zong и др.

Вместе с тем остаются недостаточно разработанные вопросы непосредственно программирования целенаправленных движений судна с учетом особенностей конкретизируемого типа объекта управления и ограничений, накладываемых навигационной обстановкой, маневренными характеристиками, состоянием внешней среды, правилами плавания и т.д. Это в свою очередь определяет постановку цели и задач диссертационного исследования.

Целью диссертации является разработка и исследование методов формирования и программирования целенаправленных движений судна.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Принципы программирования целенаправленного движения судна на основе взаимной геометрической ориентировки объектов элементами типа «точка - точка», «точка - линия», «линия - точка», «линия - линия»;

2. Методика формирования программ целенаправленного движения судна на основе метода аркана, уравнений кривых второго порядка и кусочно-линейных элементов;

3. Методика построения программ маневрирования судна для расхождения с

объектами и опасностями на основе метода зон навигационной безопасности;

6

4. Алгоритмы обеспечения программного движения судна.

Объектом исследования является программирование целенаправленных движений судна, как совокупность методов и средств навигации и судовождения.

Область исследования - разработка методов и алгоритмов формирования программ движения судна для обеспечения безопасности плавания в современных

условиях судоходства.

Методы исследования. Основой теоретических и прикладных исследований диссертации являются результаты и достижения автоматизации процессов навигации и управления судном [12 - 14, 17, 18, 20, 21, 33, 47, 60, 61, 65, 66, 72, 104, 106], методы механики управляемого движения и оптимизации [48 - 50, 54, 59, 73, 87, 102], визуального программирования [32, 84], методы математического и компьютерного моделирования [30 - 32,44, 47, 80, 84, 85, 108].

Эмпирической базой обеспечения достоверности теоретических положений и практических выводов являются экспериментальные маневренные качества судов и компьютерное моделирование процессов программирования целенаправленного движения и алгоритмов обеспечения программного движения судна.

Научная новизна исследований, выдвигаемых на защиту:

1. Методика построения полных программ целенаправленного движения судна отличается обеспечением принципами кинематической и динамической совместимости траекторий и режимов движения судна для решения навигационных задач на основе взаимной геометрической ориентировки объектов;

2. Алгоритмы конструирования целенаправленного движения и обеспечения программного движения судна отличаются принципами дополнения целей и адаптации к окружающей обстановке;

3. Технология программирования всех кинематических характеристик управляемого судна обеспечивает безопасность маневрирования в зависимости от текущей обстановки, классифицируемой навигационными зонами.

Теоретическая значимость полученных результатов заключается в создании

современных научных технологий формирования целенаправленного движения и

управления судном по заданной полной программе в различных условиях плавания.

7

Практическая ценность результатов заключается в доведении исследований до уровня алгоритмической реализации, на основе которых могут создаваться опции программирования целенаправленного движения и управления судном в различных условиях плавания для тренажеров, судовых автоматизированных навигационных комплексов и береговых СУДС.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: обобщением существующих информационных источников; использованием методов апробированного математического аппарата и механики управляемого объекта; практической проверкой выдвигаемых основных положений компьютерным моделированием и сравнением расчетных величин с натурными и тренажерными данными.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации относятся к Федеральной целевой программе "Развитие гражданской морской техники" на 2009 -2016 годы, являются частью НИР кафедры Судовождения МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова "Алгоритмизация и оптимизация процессов навигации и управления судном на основе перспективных технологий" (№ГР01201000122; Инв.№ 02201001413), программы для ЭВМ «Модель программного движения судна (Ship manoeuvre)», внедрены при совершенствовании Правил маневрирования судов в порту Новороссийск и программы тренажерного обучения МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-практических конференциях МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (Новороссийск, 2009 - 2011), на XVIII Международной конференции «Математика. Экономика. Образование». VI международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложения». Междисциплинарный семинар «Информационно-коммуникационные технологии» (Новороссийск, 2010), на IX Региональной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных

статьях, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

8

Структура и объем работы. Общий объем диссертации 142 страницы включает содержание 2 страницы, введение 6 страниц, четыре раздела 122 страницы, 73 иллюстрации и 3 таблицы, заключение 2 страницы, список литературы из 108 наименований 9 страниц.

1 Принципы процессов программирования движения судна

1.1 Постановка задачи

Процесс управления движением судна должен начинается с постановки определенных задач судовождения и цели управления [48].

Под задачей управления движением судна или задачей движения судна понимается указание любым способом тех явлений, которые должны как произойти, так и не произойти в результате управления движением [19, 48, 49, 70]. Судно должно переместиться из одной точки в другую (явление, которое должно произойти). При этом не должно быть столкновений, посадок на мель, заходов в запретные для плавания районы, пересечений ограждающих изолиний (явления, которые не должны произойти). Другими важными задачами движения судна являются предотвращение столкновения, обход навигационной опасности, выход судна в заданную точку на линии заданного пути (ЛЗП) или на ЛЗП, подход к месту постановки на якорь, подход к причалу для швартовки лагом или кормой, подход судна к SBM (Single Buoy Mooring), лихтеровочные операции и др.

Задача движения ставится обычно в словесной форме, которая непосредственно не может быть применена для теоретического, качественного и количественного исследования. Поэтому задачу движения нужно переформулировать в терминах математики или механики для обеспечения желаемого будущего движения судна.

На основе методологии [19, 48, 49, 70] под целью управления движением судна или целью движения судна понимается указание тех свойств, которыми движение судна должно обладать для того, чтобы задача управления судном была выполнена. Эти свойства должны обязательно отличаться от движения судна при отсутствии управляющих воздействий (его естественного движения), потому что в противном случае отсутствовала бы необходимость в управлении. Цель движения должна быть сформулирована на математическом языке. После этого выполнение задачи управления судном сводится к достижению цели. Цель управления, которая

обеспечивает решение задачи управления, называется основной. Кроме основной цели, могут быть поставлены другие цели, которые называются дополнительными.

Таким образом, управление движением судна представляет собой изменение естественного движения судна, при котором достигается заранее заданная цель управления. Это трансформированное движение называется управляемым в противоположность е�