WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПАРУСНЫМ СУДНОМ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Морской государственный университет

имени адмирала Г. И. Невельского

На правах рукописи

Ярощук Владислав Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПАРУСНЫМ СУДНОМ

05. 22. 19 – Эксплуатация водного транспорта, cудовождение Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат физ.мат. наук, доцент Акмайкин Д.А.

Владивосток – 2013 2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Возможность автоматизации управления парусным судном

1.1. Существующие системы автоматизированного управления парусным судном

1.2.Парусное судно как объект автоматизированной системы управления.. 1.3 Вариативность движения парусного судна по маршруту

1.3.1. Анализ вариантов выбора маршрута при наличии препятствий на курсе

1.3.2. Лавировка парусного судна

1.4. Возмущающие воздействия и параметры движения парусного судна:

анализ и описание

1.4.1. Геометрические и аэрогидродинамические характеристики парусов. 1.4.2. Расчет мощности парусного судна с косым вооружением

1.4.3. Влияние сопротивления воды на скорость движения парусного судна

1.4.4. Влияние состояний поверхности моря на скорость парусного судна.. 1.4.5. Оценка сопротивления, вызванного креном

1.5. Анализ окружающей обстановки и района плавания

1.6. Выводы

2. Математические основания разработки системы автоматизированного управления парусным судном

2.1. Скорость и направление движения парусного судна в зависимости от метеорологической обстановки

2.2. Построение оптимального маршрута при наличии препятствий............ 2.3. Модель движения против ветра и при вероятном его изменении ........... 2.4. Отклонение парусного судна от заданного курса при волнении............. 2.5. Принципы эффективного управления парусным судном на маршруте... 2.6. Оценка влияния крена на скоростные параметры





2.7. Выводы

Реализация системы автоматизированного управления парусным 3.

судном

3.1. Алгоритм и функции автоматизированного управления

3.2. Выбор технических средств измерений

3.3. Процедура получения прогноза погоды из сети Интернет

3.4. Процедуры инициализации маршрута

3.5. Алгоритм автоматизированной настройки парусов

3.6. Оптимизация крена парусного судна

3.7. Модуль автоматизированного управления движением по линии пути... 3.8. Разработка пользовательского интерфейса автоматизированной системы управления парусным судном

3.9. Выводы

4. Экспериментальная проверка системы управления парусным судном..... 4.1. Цель и программа испытаний

4.2. Результаты апробации построения различных маршрутов

4.3 Проверка функционирования АСУ при движении парусного судна против ветра и вероятного его изменения

4.4. Результаты использования АСУ при движении постоянным курсом.... 4.5. Результаты использования АСУ при попутном ветре

4.6. Анализ использования автоматизированной системы «СПАРУС» на парусном судне

4.7. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованных источников

Приложение А (справочное) Справка о погодных условиях и состоянию морского волнения в Амурском заливе 31 августа 2013 года

Приложение Б (справочное) Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, программный комплекс «СПАРУС»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Безопасность эксплуатации морского и речного транспорта была и остается одной из важнейших задач судовождения. Эта задача является приоритетной практически во всех морских державах мира и для ее решения используются различные технические средствами судовождения.

В настоящее время в России и остальном мире происходит увеличение количества парусных килевых судов с вооружением бермудский шлюп. В России количество судов с таким вооружением превышает 0,5 млн.

единиц [49].

Влияние ветра и волнения на суда такого типа несоизмеримо больше, чем на крупнотоннажные суда. При эксплуатации парусного судна каждый член экипажа должен обладать определенными знаниями в области судовождения, морской навигации, метеорологии и других морских науках. Если члены экипажа имеют слабую подготовку в парусном деле, рулевому необходимо давать каждому члену экипажа точные и ясные команды по управлению такелажем для осуществления безопасного мореплавания.

К сожалению, в практике парусного спорта зафиксировано немало печальных случаев, когда в результате неумелого управления или грубого нарушения правил, недостатка хорошей морской практики выходы в море заканчивались тяжелыми авариями, нередко сопровождавшимися человеческими жертвами и гибелью судов [7, 46]. Примеры аварийных ситуаций можно найти в специальной литературе [78,95,110]. В связи с этим проблема безопасности эксплуатации парусных судов приобретает сегодня особую остроту.





Для понимания экипажем навигационной обстановки, параметров движения ПС, обеспечения безопасного мореплавания и безотказной работы навигационных систем необходимо информационное обеспечение, состоящее из совокупности взаимодействующих навигационных устройств. Такие устройства определяют параметры, которые необходимо знать рулевому и остальному экипажу. Это – координаты местоположения парусного судна, курс, угол крена, скорость и направление ветра, скорость судна, угол пера руля, пройденное расстояние, прогноз погоды. Информация об этих параметрах необходима для функционирования различных автоматизированных систем управления парусным судном.

В последнее десятилетие в мире появились новые возможности управления движением судов. Разрабатываются различные судовые навигационноинформационные системы, облегчающие выполнение безопасного и эффективного судовождения.

Данные системы ориентированы на судоводителя, обеспечивают информационную поддержку при плавании на маршруте, производят коррекцию курса в процессе рейса при решении навигационных задач, связанных с выполнением плана перехода [26,28,94,96]. Для их бесперебойной работы необходим определенный набор датчиков и оборудования – приемник ГНСС, электронный магнитный компас, гирокомпас, спутниковый компас, акселерометры, датчики параметров качки, датчики поворота пера руля, автоматическая идентификационная система, радиолокационная система и многое другое. Однако полезный объем парусного судна ограничен. Поэтому установить на него все перечисленные приборы невозможно, как бы они были они необходимы для его безопасной эксплуатации.

Известен ряд исследований, в которых разрабатывались автоматизированные системы управления судами, расчеты скорости и оптимальности управления. Так в изобретении А. С. Розина, И. Ю Быховского и др. разработан яхтенный авторулевой [58] способный совершать корректировку курса и сигнализировать о смене парусов Для помощи экипажу в управлении парусным судном разработано достаточное количество приборов различных фирм, например B&G [99], Raymarine, Garmin [56,105] и др. Данные приборы информируют пользователя о текущих параметрах судна, но эта информация не содержит прямых рекомендаций по настройке парусов, выбору оптимального маршрута, расчетных скоростей. Они не учитывает возможность изменения ветра, не дают рекомендаций для оптимизации крена и т. д.

В настоящее время активно развиваются компьютерные технологии в навигации маломерного флота. Наиболее распространены такие программы, как SailTimer [116], SailRacer.net [115], Navigatta [111], Deckman [99]. Эти программы решают отдельные задачи парусного спорта, выдают рекомендации о способе движения по заданному маршруту с учетом ветра.

В специальной литературе очевиден недостаток практических разработок автоматизированных систем управления парусными судами, способных учитывать изменяющиеся навигационные сведения и характеристики судна, динамично реагировать на них для обеспечения безопасности мореплавания.

Автоматизированные системы управления для парусных судов, отечественной промышленностью не производятся.

В связи с вышеизложенным создание автоматизированной системы управления ПС становится одной из важнейших технических задач. Для ее решения необходима разработка алгоритмов управления, выбора маршрута, моделей движения судна на волнении на основе комплексной обработки информации, поступающей от приборов, интерфейса пользователя.

Сегодня решение задач управления парусным судном опирается на различные теоретические модели движения, разработанные на основе эффективных методов и систем. Исследуются особенности теории и практики яхтенного дела, рассматриваются возможности по оптимизации и улучшению качества яхтенного вооружения, устройств управления. [83] Совокупность публикаций 1956–2013 годов содержит такие теоретические основы движения судов, в том числе и парусных, как описание составляющих их движения в различных условиях, теории крыла, кораблевождения и систем управления и т. д. [2,3,5,6,7,9,17, 80,104]. Основные элементы управления ПС достаточно подробно рассматриваются в работах отечественных и зарубежных авторов [20,21,36,38,47,50,54,84,85,87,93,108,109].

Построение и выбор оптимального маршрута описано в работах авторов [15,24]. В настоящее время большое распространение получила теория графов, задающихся в виде матрицы, алгоритма построения маршрута и весовых значений.

В ряде работ [113,118] и материалов конференций большое внимание уделено проблемам развития робототехники яхт. Разработанные алгоритмы управления роботов могут быть задействованы. Но, несмотря на заметные успехи этого направления научных исследований, сохраняется необходимость разработки методов и алгоритмов оптимизации крена и настройки парусов относительно ветра, поскольку этому вопросу до сих пор не было уделено должное внимание.

И, наконец, нужно указать и на явный недостаток исследований и публикаций, посвященных собственно вопросам автоматизации управления парусных судов.

Однако до сих пор отсутствует техническое решение автоматизации управления парусным судном на маршруте учитывающие все виды возмущающих воздействий на суда такого типа.

Цель диссертационной работы – совершенствование способов автоматизации управления парусным килевым судном путем использования методов математического моделирования движения парусного судна и учета обстановки в районе плавания.

Область исследования – модели и способы эффективного судовождения в различных условиях эксплуатации.

Объект исследования – способы обеспечения безопасного плавания парусных килевых судов.

Предмет исследования – автоматизация управления парусным судном для обеспечения движения по заданному маршруту, безопасности экипажа при изменении внешних климатических условий и гидродинамических характеристик судна.

Для достижения цели необходимо решить следующие научные задачи:

1) Исследовать влияние ветро-волновых воздействий на характеристики движения парусного судна.

2) Разработать способ построения маршрута парусного судна с учетом навигационной и гидрометеорологической обстановки.

3) Разработать способ движения парусного судна навстречу ветру с учетом возможного его изменения, выявить ее специфику сравнительно с существующими навигационными моделями движения.

4) Разработать алгоритм управления элементами парусного судна для обеспечения безопасного плавания в различных условиях эксплуатации.

5) Разработать автоматизированную систему управления и провести её экспериментальную проверку.

Методы исследования. Методологической базой исследования явились элементы численных методов линейной алгебры, дифференциальное исчисление, векторный анализ, методы математической статистики и совместной обработки навигационной информации, а также отдельные положения теории графов.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Разработан способ расчета изменения курса и скорости парусного судна на маршруте при различных ветро-волновых условиях плавания.

2. Разработан способ построения оптимального маршрута парусного судна с учетом гидрометеорологической обстановки в районе плавания и расположенных навигационных объектов.

3. Разработана способ расчета траектории движения парусного судна навстречу ветру с учетом его изменения.

4. Разработан алгоритм автоматизированного управления парусным судном на маршруте при различных условиях плавания и дающий рекомендации по предотвращению аварийных ситуация.

5. Экспериментальная проверка разработанной автоматизированной системы управления показала возможность её эффективного применения на существующих парусных килевых судах, обеспечивая безопасное мореплавание по заданному маршруту при различных погодных условиях.

Научная новизна. Впервые предложено рассчитывать угловую скорость движения парусного судна на волнении для расчета прямолинейной скорости движения парусного судна. Использование в теории графов весовых коэффициентов учитывающих прогноз изменения гидрометеорологической обстановки на маршруте и скорость продвижения парусного судна навстречу ветру, позволяет выбирать самый быстрый маршрут. Построение маршрута парусного судна навстречу ветру, предложено оптимизировать по количеству поворотов с учетом прогноза и статистики изменения ветра на маршруте. Разработан алгоритм автоматизированной настройки парусов, оптимизации крена и управления движением парусного судна по заданному маршруту на основе воздействия пользователя с системой в зависимости от интеграции.

Обоснованность и достоверность результатов достигнута на основании корректного использования полученных выводов, математического аппарата, совпадения результатов теоретических расчетов и эмпирических испытаний на реальном парусном килевом судне.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состояло в том, что соискатель участвовал в разработке математических моделей и алгоритмов, используемых в работе и монтаже измерительного оборудования, установленного на экспериментальном судне. Соискатель обеспечивал выполнение экспериментальных исследований, разработку специализированных программных продуктов для системы автоматизированного управления парусным судном. Участвовал в подготовке материалов и написании статей по тематике диссертации.

Практическая ценность работы. Использование разработанной АСУ снижает зависимость безопасности мореплавания от уровня мастерства рулевого и опыта экипажа, уменьшая, таким образом, роль «человеческого фактора» в процессе эксплуатации парусного судна. Данная система автоматизированного управления является хорошим тренажером по управлению парусным судном и может быть востребована как на частных парусных яхтах, так и в спортивных секциях. Установка такой системы на суда яхт-клубов снизит нагрузку на тренеров, что позволит обучить больше людей за меньшее время.

Связь темы с государственными программами и НИР. Диссертационное исследование связанно с научно-исследовательской госбюджетной темой «СПАРУС» программы «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, выполняемой на кафедре технических средств судовождения Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского.

Апробация результатов работы. Теоретические положения подтверждены экспериментально при проведенных испытаниях. При разработке алгоритмов программы ЭВМ использовались результаты теоретических исследований, описанных в диссертационной работе.

Основные результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждались на 57-й, 59-й и 60-й международных молодежных научнотехнических конференциях «Молодежь – наука – инновации» (Владивосток), на международных конференциях «Актуальные проблемы развития судоходства в Дальневосточном регионе» (Владивосток, 2011) и «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе» (Новосибирск, 2011), на конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», (СанктПетербург, 2011), на региональной конференции «Молодежь и научнотехнический прогресс» (Владивосток, 2011), на конференциях Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, программа «УМНИК» (Владивосток, 2011, 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено одно свидетельство о регистрации программы.

Структура и объем работы. Диссертация представлена на 128 листах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников.

Работа содержит 60 рисунков, 16 таблиц и список использованных источников из 118 наименований.

1. Возможность автоматизации управления парусным судном 1.1. Существующие системы автоматизированного управления парусным В настоящее время в навигации маломерного флота активно развиваются информационные технологии. Экипаж парусного судна (ПС) [60] может использовать в качестве навигационной поддержки смартфоны и планшеты с установленными навигационными приложениями. Наиболее распространенными приложениями являются такие, как SailTimer; SailRacer.net; Navigatta.

Данные приложения рассчитывают расстояние, скорость, курс, направление движения, и другие параметры на основе данных, поступающих от приемника ГНСС.

Особенность приложения SailTimer [116] в том, что направление ветра в приложение поступает от ветрочета по протоколу Wi-Fi. Если на судне нет такого беспроводного ветрочета, то пользователю необходимо вручную вводить параметры скорости и направления ветра. Одно из отличительных свойств от других приложений это прокладка маршрута при встречном направлении ветра. На экране пользователю отображается навигационная растровая карта, пройденный путь, направление движения и ветра, траектория движения против ветра с одним поворотом, скорость судна, ветра и остальные сопутствующие навигационные компоненты. В приложении существует функция создания таблицы скоростей парусного судна относительно скорости и направления ветра, для различных вариаций парусов. Благодаря этой функции приложение показывает предполагаемое время прохождения до цели.

По информации от разработчиков, использование приложения SailRacer [115] в парусных регатах позволяет принимать рулевым правильные решения при движении парусного судна. Экран приложения SailRacer.net способен подстраиваться под вертикальное или горизонтальное положения устройства.

На главном экране отображены: компас; линия истинного ветра; координаты точек навигационного знака и судейского судна; индикатор отклонения курса; индикатор отклонения ветра и др. параметры. Параметры на экране изменяются при нажатии на экран в течение нескольких секунд.

Для начала движения необходимо задать угол вымпельного ветра и конечную точку путем ввода координат. После приложение представит курс.

При движении приложение учитывает отклонения парусного судна от курса и показывает сдвиг направления внутри компаса.

Приложение Navigatta [111] разработано и предназначено для парусных регат. Движения по маршруту с помощью приложения Navigatta необходимо задавать путевыми точками. Приложение разделено на три экрана. Первый экран отображает курс, скорость, отклонение от маршрута; второй – карту Google Map при подключении к сети Интернет, и на третьем вводятся координаты стартовой и финишной линии.

Фирмой В & G разработана тактическая навигационная программа Deckman [99]. Программа является передовой. Она способна помочь рулевому и тактику в принятии правильных решений в парусных регатах. К Deckman существует возможность подключить автоматическую идентификационную систему, что позволяет предупреждать столкновения с другими судами, а в регате отслеживать соперников. Маршрутизация Deckman предоставляет оптимальные расчеты маршрута с учетом прогноза погоды по файлам стандарта GRIB.

Программа имеет интегрированную инструментальную систему, позволяющую выдавать данные на множество дисплеев. Для ее полного функционирования необходимо навигационное оборудование: лаг, электронный компас, GPS, анемометр, метеостанция, модуль обработки и др. навигационные приборы.

Необходимо затронуть разработку [58] яхтенного авторулевого для парусного судна вооружения бермудский кэт. Яхтенный авторулевой содержит подключенный к блоку управления гирокомпас, датчики положения такелажа и рангоута, датчик направления и скорости ветра, датчик положения пера руля, крена, датчик определения курса и определения координат судна. Параметры из вышеперечисленных датчиков вводятся в электронный блок управления, который оценивает тяговое усилие парусов, крен и сигнализирует о необходимости увеличить или уменьшить площадь парусов. При эксплуатации такого авторулевого и изменениях углов и скорости ветра в пределах галса устройство осуществляет корректировку движения и сигнализирует о постановке парусов. Для использования такой разработки на парусном судне необходимо снимать экспериментальные данные об аэродинамической силе парусов, кренящего момента и силы дрейфа от положения бегучего такелажа, крена, угла атаки парусов при конкретных скоростях и направлениях ветра.

В случае использования экипажем рассмотренных систем для автоматизированного управления ПС, ему необходимо установить автопилот, заблаговременно прокладывать маршрут плавания, самостоятельно определять выбор парусов относительно скорости и направления ветра и траекторию движения против ветра с учетом его изменения. Сравнительные функции рассмотренных приложений и систем представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Сравнительная характеристика вычислительных систем оптимизация крена с учетом волнения та против направления ветра учетом волнения Анализ существующих устройств и программ для безопасной эксплуатации экипажем парусного судна позволяет сделать вывод, что до сих пор отсутствует решение проблемы прокладки оптимального маршрута при встречном ветре с учетом навигационных препятствий, течений и прогноза погоды.

1.2. Парусное судно как объект автоматизированной системы управления Парусное судно осуществляет движение в двух средах – водной и воздушной. Для придания движения такому судну необходимо бегущим и стоящим такелажем грамотно управлять. Процесс управления подразумевает изменение состояния одного объекта другим с помощью воздействий и команд.

Первый объект называется объектом управления, а второй – командной системой.

В процессе управления между командной системой и объектом управления происходит постоянное взаимодействие (рисунок 1.1). Каждая система управления состоит из трех частей – объекта управления, средства управления и управляющего устройства [11,90].

Рисунок 1.1 –Парусное судно в системе управления.

На объект управления оказывает влияние множество факторов. В данной работе они определяются как возмущающие воздействия и характеризуются следующими факторами:

– существованием ограничений процесса управления;

– составом элементов и их географическим расположением;

– наличием активных элементов, способных влиять на систему управления;

– характером и интенсивностью влияния элементов на систему управления;

– климатическими условиями плавания;

– другими признаками и свойствами.

Важнейшей характеристикой возмущающих воздействий является их интенсивность, которая изменяется во времени. А вместе с тем изменяются и параметры их влияния на систему управления. Однако, во всех случаях наличие возмущающих воздействий создает не только сложности в управлении судном и обуславливает напряженность процесса маневрирования, но и обеспечивает движение судна в заданном направлении. Поэтому безопасность мореплавания во многом зависит от личностных качеств судоводителя.

Ему требуются не только глубокие знания в морских науках, но и обладание такими психомоторными и когнитивными качествами, как наблюдательность, быстрота реакции, способность анализировать и оценивать обстановку, принимать обоснованные решения и организовывать работу экипажа, участвующего в процессе управления судном [28].

Для выполнения управленческих задач, связанных с выбором и принятием решений, разработаны различные методы математического моделирования, основывающиеся на теориях линейного и динамического программирования [31].

Для повышения безопасности мореплавания в настоящее время в помощь судоводителям и экипажам разрабатываются различные автоматизированные системы управления (АСУ). Сущность АСУ состоит в применении технических и программных средств, позволяющих облегчить процесс управления и принятие решений.

Для работы и функционирования автоматизированной системы управления необходима разработка соответствующей математической модели принятия решений. Математическая модель должна описать систему управления, разработать прогноз управленческих действий на определенное время с учетом различных характеристик возмущающих воздействий. Разработка АСУ предполагает создание различных методик управления системой и ее подсистемами. При этом необходимо, чтобы методика отражала отличительные стороны процесса управления, была проста и служила вспомогательным средством при выборе решений. В настоящее время базой для АСУ служат средства компьютерной техники [26].

В простых системах регулирования для управляющих воздействий достаточно небольшого количества информации. Но возникает трудность в ее получении и обработке, причем это характерно не только для малых, но средних и крупных систем. Решение проблемы автоматизации процессов поступления и обработки информации включает следующие этапы:

– организацию источников информации о текущем и ожидаемом состояниях объекта управления и возмущающих воздействий;

– нахождение способов получения, передачи от источников, хранения данных;

– разработку методов обработки данных;

– разработку методов отображения информации;

– создание программно-аппаратных средств реализации математических методов и алгоритмов.

Основные проблемы создания и обеспечения безотказного функционирования автоматизированных систем управления, командных систем с учетом возмущающих воздействий на них рассмотрены в работах Л. Л. Вагущенко, А. Л. Вагущенко, А. И. Родионова, С. И. Демина и др.

[23,26,29,34,36,64,76]. Они отмечают, что автоматизация процессов управления на судах приводит к уменьшению потерь ходового времени, разработали предупреждения об опасностях в соответствии с установленными критериями, оценивают мореходность судна на пути следования, формулируют рекомендации по управлению судном и уменьшению аварийных случаев.

Анализ литературы, разработок АСУ позволяет сделать вывод, что главная проблема автоматизации управления судном обусловлена с многообразием возмущающих воздействий, их изменчивостью. В связи с этим представляется следующий порядок действий:

– выявить и дать оценку факторов для определения возмущающих воздействий в автоматизированной системе управления влияющих на систему управления парусным судном;

– установить свойства и сформулировать характеристики каждого из возмущающих воздействий в отдельности;

– разработать автоматическую систему управления, учитывающую специфику парусного судна и особенности управления им.

1.3. Вариативность движения парусного судна по маршруту 1.3.1. Анализ вариантов выбора маршрута при наличии препятствий При движении парусного судна часто возникают ситуации, когда курс судна пересекает препятствие в виде материка, острова и других неподвижных объектов. Может быть несколько вариантов движения, учитывающих препятствия вдоль маршрута.

Для построения возможных маршрутов и точек поворотов парусного судна в настоящее время разрабатываются различные системы управления, в которые входит набор таких способов выбора маршрута, как искусственный интеллект [18], генетический алгоритм [63] и теория графов [15,24,66] и др.

Для выбора маршрута ПС на основе теории искусственного интеллекта необходимо разбивать район мореплавания отдельными ячейками и составлять маршрут путем перебора вариантов между отдельными ячейками (рисунок 1.2).

Данный алгоритм позволяет решить задачу поиска пути и обхода препятствий. Однако одним из существенных недостатков этого алгоритма является то, что для обеспечения его работоспособности требуется программное оборудование со значительным объемом оперативной памяти. Другим – трудоемкость и невысокая скорость нахождения пути.

Рисунок 1.2 – Алгоритм построения маршрута Выбор маршрута может осуществляться с помощью генетического алгоритма, путем случайного подбора и вариаций маршрутов. Решение выбора пути можно представить в следующем виде:

1. Инициализация района плавания;

2. Оценка движения на маршруте;

3. Проверка условия остановки алгоритма;

4. Выбор координат точек, которые будут участвовать в построении маршрутов;

5. Построение маршрутов со свободными точками;

6. Выбор лучшего маршрута.

Схема работы генетического алгоритма представлена на рисунке 1.3.

Работа генетического алгоритма представляет собой итерационный процесс, который продолжается пока не будет построено заданное число маршрутов. Выбор лучшего маршрута данным алгоритмом зависит от способов формирования оценки качества прохождения дистанции, вероятности изменения маршрута, методов отбора путевых точек.

Теория графов широко применяется на транспорте в бортовых компьютерах. Она позволяет находить оптимальный путь и корректно разрабатывать маршрут. Для этого в графе необходимо определить все возможные объекты и связи между ними (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Определение связей между объектами маршрута Далее нужно записать граф в виде матрицы смежности, содержащей признак наличия связи между точками. Если между точками существует связь, то ячейка содержит 1, а если связи нет, то 0 (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Наличие связей между точками Для выбора оптимального маршрута определяется время движения между точками и строится граф с весовыми коэффициентами. Весовые коэффициенты указывают дистанцию и скорость прохождения участка между узлами графа (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Граф с весовыми коэффициентами Для определения короткого маршрута строится матрица весов и на имеющиеся связи накладываются весовые коэффициенты (таблица 1.3).

Таблица 1.3 – Весовые параметры маршрута точками. В представленном в графе оптимальный маршрут будет: Маршрут рассчитывается как сумма последовательных связей между Данный метод имеет преимущество над остальными в простоте реализации и при всех вариантах построения маршрута количество вычислений минимально.

Движение ПС по маршруту в заданный пункт прибытия может происходить против направления ветра, что в мире парусников принято называть «на ветер». В такой ситуации дойти до пункта прибытия одним галсом невозможно. Рулевому необходимо вести ПС курсом бейдевинд, менять галсы, делая повороты в определенных точках. Такой способ движения против ветра называется лавировкой (рисунок 1.6).

Техника управления ПС при лавировке является сложной из-за того, что рулевому необходимо достичь цели, лежащей высоко на ветру, с минимальной затратой времени и наименьшим количеством поворотов [14].

Количество и длина галсов зависят от расстояния между началом движения и конечной точкой, размеров акватории и навигационной обстановки, а также от изменения направления ветра во время плавания. Так, если путь проходит в узости или по реке, то естественно, что рулевой будет вынужден делать поворот каждый раз, когда ПС будет оказываться вблизи берега или кромки фарватера. Если же судну предстоит пройти такое же расстояние в открытом бассейне (море, озере, водохранилище), то количество галсов может быть меньше. Во всех случаях галс, ведущий яхту к цели кратчайшим путем, наиболее длинный. Короткий галс, вынуждающий к повороту из-за препятствия на курсе, захода ветра и т. п., называется контргалсом.

Рисунок 1.6 – Движение ПС методом лавировки Поворот на последний галс, которым судно должно выйти на финиш, следует делать только тогда, когда ориентир, на который после поворота должен держать рулевой, окажется на траверзе позади парусного судна. Благодаря этому парусное судно будет иметь запас высоты, обеспечивающий достижение цели одним галсом с учетом возможного изменения направления ветра[47].

Движение бейдевиндом предполагает определенный угол установки парусов и курс парусного судна относительно направления ветра. Оптимальным является курс, при котором парусное судно достигнет цели быстрее, то есть его скорость «на ветер» (НВ ) будет максимальной [83,109].

Так, например, парусное судно идет со скоростью быстрее А, но прямо по ветру цели судно B придет быстрее, чем, (рисунок 1.7).

меньшей, чем C, и менее круто, чем A. Однако, несмотря на это, к лежащей Рисунок 1.7 – Оптимальный лавировочный курс Скорость на «ветер» определяется по формуле где VS – скорость ПС, м/с;

ОПТ – оптимальный лавировочный угол ПС.

Достигаемая скорость НВ является качественным критерием ПС и требует от рулевого и экипажа большого опыта.

Вопросам, связанным с выбором маршрута в целом, а также при наличии препятствий на нем, посвящены работы ряда отечественных и зарубежных авторов [14,46,64,85]. Особое внимание в них уделено настройке парусов для достижения максимальной скорости, прокладке оптимального маршрута.

Это позволяет сделать вывод о том, что при лавировке для выбора оптимального маршрута необходимо определение путевых поворотных точек с учетом оптимального лавировочного угла.

1.4. Возмущающие воздействия и параметры движения 1.4.1. Геометрические и аэрогидродинамические характеристики В судостроении широко используются различные конструкции, на которых при обтекании потоком жидкости или воздуха возникает подъемная сила. Это крыльевые конструкции. Такие конструкции имеют определенную форму, обеспечивающую при обтекании их потоком подъемную силу, во много раз превосходящую силу лобового сопротивления. На ПС крылья применяют в качестве рулей, килей, мачт, парусов и т. д.

Для анализа и описания механизма возникновения подъемной силы паруса, аэродинамическую силу принято рассматривать на примере крыла (риось совпадает с направлением потоком истинного ветра (VВТ ), ось персунок 1.8), ориентированного относительно системы координат, в которой пендикулярна к ней, а ось направлена вдоль крыла.

– подъемная сила; – сила лобового сопротивления;, – нормальная и тангенциальная сила; – угол атаки ветра на крыло Протяженность крыла в направлении оси называется удлинением (размахом крыла). Если рассечь крыло плоскостью 0, то в ее пересечении с крылом получится профиль крыла. В зависимости от различных требований к аэрогидродинамическим характеристикам применяют сегментные, авиационные и другие профили.

Форма профиля крыла характеризуется следующими геометрическими параметрами:

1) относительной толщиной профиля, т. е. отношением его максимальной толщины (t max ) к хорде где b – хорда крыла;

крыла в плане к его размаху:

2) средней геометрической хордой – отношением площади проекции 3) относительным удлинением, под которым понимают отношение размаха крыла к средней хорде bср :

относительное удлинение крыла 2, то крыло называется крылом малого Различают крылья малого, конечного и бесконечного удлинения. Если удлинения; при 2 6 – крылом конечного удлинения, а в случае 6 – крылом бесконечного удлинения [41].

ется углом атаки. В случае, когда углы атаки по длине крыла постоянны, Положение крыла относительно набегающего на него потока определякрыло называется незакрученным. Если углы атаки изменяются по размаху вследствие конструктивных особенностей геометрии крыла или условий его обтекания, то крыло будет закрученным [71].

Действующие на крыло силы и моменты существенно зависят от угла его атаки. Обычно рассматривают не сами силы, а их безразмерные коэффиCx = V циенты. Коэффициент сопротивления крыла определяется соотношением где – плотность воздуха, кг/м3 ;

VВВ – скорость вымпельного ветра, м/с;

R x – проекция равнодействующей аэрогидродинамической силы на ось.

Коэффициент подъемной силы определяется по формуле где R y – проекция подъемной силы крыла на ось y.

Для оценки эффективности крыльев используют понятие их качества, определяемого по формуле При этом выгодный угол атаки будет при K к = 10 20.

вующая на крыло, создает относительно оси момент силы, который опВ общем случае равнодействующая аэрогидродинамических сил, дейстmz = V ределяется коэффициентом момента где момент определяется где R n – нормальная составляющая силы;

1 – расстояние от точки ц приложения равнодействующей до оси.

Точка ц называется центром давления профиля.

атаки. Зависимость,, и к от угла показана на рисунке 1.9.

Значения безразмерных коэффициентов крыла напрямую зависят от угла Рисунок 1.9 – Динамические характеристики крыла в функции от угла атаки Угол атаки, соответствующий нулевому значению коэффициента подъемной силы, называется углом нулевой подъемной силы. Из рисунка 1. видно, что при увеличении угла атаки коэффициент подъемной силы крыла и коэффициент момента возрастают по законам, близким к линейным, и имеют следующий вид:

где Пользуясь теорией крыла возможно рассчитать подъемную силу парусного вооружения судна, для дальнейшего использования в расчетах мощности и скорости движения самого судна.

1.4.2. Расчет мощности парусного судна с косым вооружением правлению ветра, но и под минимальным углом к нему ВТ. За прошедшее Конструкции парусного судна обеспечивают движение не только по науменьшить величину угла ВТ. В настоящее время считается вполне возможтысячелетие люди, занимающиеся парусным делом, постоянно стремились ным курс парусного судна при угле ВТ около 400 [80].

Принято, что парусное судно ходит по вымпельному ветру, который является суммой векторов, создаваемых его движением и скоростью истинного ветра над акваторией. Вымпельный ветер ощущается на судне при его движении, а истинный ветер - когда наблюдатель неподвижен относительно земли.

системе координат. Для анализа действующих на судно сил необходима На рисунке 1.10 показано движение парусного судна в неподвижной подвижная система координат с с с, которая закреплена на судне, при этом ось с с должна быть совмещена с его продольной осью.

Рисунок 1.10 – Движение ПС в системах координат карты и судна Для определения направления движения и расчетной схемы сил, действующих на судно, делаются четыре допущения:

- дрейф судна не учитывается;

- масса судна сосредоточена в точке ;

- на судне все силы приложены в одной точке ;

- сила приложена перпендикулярно к плоскости хорды паруса.

Величина аэродинамической силы, действующей на парус, рассчитыFB = K B Cy SП VBB 2, вается по формуле где K B - коэффициент аэродинамического давления воздуха, равный 0,0625;

SП – площадь паруса;

При направлении истинного ветра под углом к оси, причем - аэродинамическая сила, создаваемая давлением на парус вымпельбольше нуля, на судно действуют следующие факторы:

ного ветра ;

- реакция, создаваемая давлением воды на киль и корпус судна, прореакция аэрогидродинамического сопротивления среды движению тиводействующая дрейфу;

корпуса судна.

ния воды и воздуха объединены в одну реакцию, которую называют реакДля удобства расчета мощности парусного судна сопротивление движецией аэрогидродинамического сопротивления среды движению корпуса судна. Для данного сопротивления принят следующий закон, выраженный в формуле где – коэффициент пропорциональности, который для килевой лодки принят равным 0,95.

мо вычислить величину вымпельного ветра, а также его скоростные паДля определения скоростных характеристик парусного судна необходираметры с соответствующими им углами. На рисунке 1.11 показана зависимость величины скорости ветра от движения парусного судна ( ) со скоростью.

Рисунке 1.11 – Определяющие величины вымпельного ветра Угол, образованный скоростями С и ВВ, рассчитывается по формуле где - угол смещения оси с с относительно оси ;

г – угол смещения оси с с относительно направления истинного ветра.

Величина вымпельного ветра определяется по правилу параллелограмма скоростей:

или по формулам:

здесь = 900.

Угол между ветром от собственного движения и определяется по формуле Если силу разложить на взаимно перпендикулярные составляющие, параллельные осям подвижной системы, то это позволит рассчитать силу дрейфа Д и силу тяги Т (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Геометрия аэрогидродинамических векторов Сила Д рассчитывается по формуле при этом силы Д вычисляется по формуле где –угол между направлением движения и хордой; причем коэффициент 1 равен где – угол между направлением движения и вымпельным ветром.

Направление силы Д определяется углом Д, который рассчитывается по формуле Силе Д противодействует реакция, которая равна В правой части формулы (1.22) символ суммы указывает, что на киль Реакция Д действует на киль и корпус парусного судна под углом Д, может действовать несколько сил, стремящихся вызвать дрейф.

определяемым по формуле Равенство (1.23) исходит из условия отсутствия ускоренного движения в проекций всех сил на ось :

направлении дрейфа, что позволяет сделать вывод о равенстве нулю суммы Сила FT рассчитывается по формуле Далее, с помощью основного закона динамики можно определить ускорение корпуса по формуле где m – масса парусного судна, кг.

Скорость парусного судна при прямолинейном движении определяется выражением где V0 – скорость на текущий момент;

стью, должно удовлетворяться условие равенства всех приложенных к На стадии, когда судно движется прямолинейно с равномерной скоронему сил. Их проекция на ось в виде уравнения равновесия будет следующей:

или Если в (1.29) подставить 2 из (1.14), то можно получить квадратное уравнение. При этом коэффициент является функцией от. Решение уравнения относительно дает квадратное уравнение общего вида где Зная величину, можно определить выходную мощность судна:

Полученные выше зависимости математической модели А.И. Хачатряна были апробированы в математических пакетах обработки [27,82]. Расчеты площадь паруса П = 33,6м2 ; ВВ = 4, 6, 9 м/сек, с варьированием угла в велись для парусного судна класса «Конрад 25Р» с исходными параметрами:

пределах от 00 до 900 и используемым в исследовании Чеслава Мархая коэффициента подъемной силы ( ) для различной глубины паруса и силы ветра [32,83,109]при прямолинейном движении, коэффициент изображен на рисунке 1.13. В результате была получена теоретическая полярная диаграмма парусного судна «Конрад 25Р» [12] (рисунок 1.14).

Рисунок 1.13 – Коэффициент подъемной силы Рисунок 1.14 – Полярная диаграмма парусного судна «Конрад 25Р»

Пользуясь формулами определения выходной мощности парусного судна возможно осуществлять расчет предполагаемой скорости и построения полярных диаграмм при различных скоростях ветра.

1.4.3. Влияние сопротивления воды на скорость движения парусного судна Ходкость судна обычно рассчитывается при идеальных метеорологических условиях, поэтому скорость судна определяется так, что может быть достигнута при отсутствии штормового ветра и невозмущенной поверхности воды. В действительности не существует идеальных условий, что приводит к уменьшению скорости судна.

Уменьшение скорости происходит из-за гидродинамического сопротивления, которое можно разделить на две основные части:

- сопротивление трения;

- волновое сопротивление.

Возникновение силы трения обусловлено вязкостью жидкостей и подчиняется закону динамического подобия Рейнольдса [39,68,70]. Число РейRe = нольдса выражается формулой где L – длинна ПС, м;

– коэффициент кинематической вязкости, см2 /с.

Для определения силы трения необходимо учитывать кривизну и шероховатость поверхности. Кривизна обводов судна обуславливает разное расстояние, проходимое частицами воды от носа до кормы. Этот фактор оценивается коэффициентом влияния кривизны () на трение. Числовые значения бассейнах и получают K = 1.02 … 1.08 при относительном удлинении устанавливают экспериментально для различных моделей судов в опытных = 10 … 3, где - максимальная ширина погруженного корпуса парусного судна, м.

ным коэффициентом п. На практике значение коэффициента для свежевыШероховатость смоченной поверхности характеризуется корреляционкрашенного корпуса судна варьируются п 103 :

- для пассажирских судов 0.2…0.4;

- для транспортных судов 0.3…0.5;

- для крупных танкеров 0.1…0.2;

- для рыбацких судов 0.3…0.6;

- для парусных яхт 0.2…0.5.

С учетом кривизны обводов и шероховатости поверхности судна сопроR тр = (f0 K + п ) VH, тивление трения судна любого размера и типа определяется по формуле [35] где – площадь смоченной поверхности, м2 ;

– плотность воды, кг/м3 ;

0 – коэффициент трения, определяемый по формуле Из гидродинамики известно, что волнообразование парусного судна при движении происходит под действием сил тяжести и подчиняется закону Фруда. Данный закон гласит, что у геометрически подобных судов разного размера волнообразование при прямолинейном и равноускоренном движении будет подобно при соблюдении безразмерного числа Фруда [73,74], опредеFr = ляемого по формуле где g – ускорение силы тяжести, м/с2.

На основании формулы (1.38) зависимость волнового сопротивления от скорости может быть приведена к формуле где – удельный вес воды, т/м3.

На практике помимо числа Фруда зачастую используется пропорциональная величина, которая не является безразмерной величиной и определяет относительную скорость [54,67,84,114].

Вывод: в результате анализа сопротивления, вызванного движением парусного судна, установлено, что сопротивление трения и волновое сопротивление являются неотъемлемыми характеристиками движения, и при разработке АСУ необходимо учитывать данные характеристики.

1.4.4. Влияние состояний поверхности моря на скорость парусного судна Волнение моря является одним из основных возмущающих воздействий на судно. Эксплуатационная устойчивость судна ухудшается при ходе на попутном волнении. На идущем судне параметры волнения отличаются от истинных значений и называются кажущимися. В некоторой степени они схожи с вымпельным ветром.

Наиболее полно изучено влияние волнения на скорость прямолинейного волнении могут быть применены эмпирические формулы Аертсона, П. М.

движения судна. Для приближенного расчета потери скорости судна при Хохлова и других исследователей [62,81]. Для расчета потерь скорости можно использовать формулу где В – угол направления волн на парусное судно, рад;

1/3 – высота значительных волн, м.

При анализе системы стабилизации курса требуется учитывать волновое рыскание судна относительно заданного курса. Приближенно угол волнового рыскания (Р ) судна можно определить по формуле [71] где – ордината волнения;

, Д – коэффициенты волнового рыскания.

Вывод: для уточнения предполагаемого времени прохождения маршрута необходима точная оценка потерь скорости при волнении, а также более детальный анализ волнового рыскания парусного судна для корректировки движения по маршруту.

1.4.5. Оценка сопротивления, вызванного креном Скорость парусного судна, как отмечалось выше, рассчитана таким облением скорости ветра возрастает и угол крена, вызывая уменьшение. Это разом, что может быть достигнута при отсутствии сильного ветра. Но с усиобъясняется тем, что прирост гидродинамического сопротивления, вызванного креном, больше, чем прирост силы тяги на парусах. На рисунке 1.15 показано, насколько может быть велик прирост гидродинамического сопротивления, вызванного силой крена [100].

Рисунок 1.15 – Сопротивление, вызванное креном Сплошная линия показывает изменение гидродинамического сопротивления на различных скоростях судна, идущего полным курсом, без крена.

Прерывистой линией показано изменение сопротивления при различных углах крена.

В зависимости от курса парусного судна относительно ветра гидродинаглавным образом сопротивление трения (тр ) и волновое сопротивление вол.

мическое сопротивление бывает двух видов. На полном курсе действуют При переходе к более острым ветровым углам парусное судно приобретает новые сопротивления – индуктивное вызванное дрейфом, и сопротивление крена ( ). Их суммарная величина показана на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 – Величина гидродинамических сопротивлений дрейф отрицательный [69]. При угле дрейфа 0° и крене 20° величина боковоЗакрененный корпус создает силу бокового сопротивления, даже если го сопротивления достигает примерно 30 %, и уравновешивает кренящую силу парусов. При движении парусного судна крен вызывает добавочдрейфа на 1 1,5°. Из общего прироста сопротивления 25 % приходятся на ное сопротивление, в определенных границах компенсирующее уменьшение крен, а остальные 75 % составляют индуктивное сопротивление.

Результаты работ К. Давидсона, профессора Института Стивенса США, подтверждают, что добавочное сопротивление, вызванное действием кренящей силы, образуется в результате неблагоприятных перемен в характере гда крен становится более 20° [83,108,109] волнообразования накрененного корпуса парусного судна и проявляется, коКроме того, чрезмерный крен содействует склонности парусного судна приводиться к ветру, что влечет за собой нарушение устойчивости на курсе.

Для устранения потери скорости и нарушения устойчивости на курсе необходимо ставить более плоские паруса или уменьшать площадь парусности.

Но в случае слабого ветра парусное судно необходимо закренивать для создания профиля парусов и уменьшения смоченной поверхности [21,61,87].

В результате проведенного анализа можно сделать вывод: крен – это одно из возмущающих воздействий на движение парусного судна; он способствует увеличению сопротивления при больших углах, нарушает его устойчивость и увеличивает склонность к рысканию при движении [2]. Поэтому для разработки автоматизированной системы управления парусным судном необходимо определение оптимального крена, а также создание алгоритма оптимизации данного возмущающего воздействия.

1.5. Анализ окружающей обстановки и района плавания История мореплавания показывает, что от погодных условий зависят безопасность и длительность перехода или парусной гонки. К сожалению, в море случаются столкновения, повреждения и даже гибель судов. Причины таких ситуаций могут быть различны, но в основном трагедии случаются при неблагоприятной гидрометеорологической обстановке. Верное предвидение погоды может сыграть решающую роль в достижении намеченной цели. Поэтому каждый яхтенный капитан, собирающийся в плавание или намеревающийся принять участие в гонке, должен знать, какая погода будет в ближайшее время, какое направление ветра будет преобладающим.

До начала длительного перехода необходимо изучить прогноз ветра в районе предстоящего плавания. В парусных регатах, проводимых на ограниченных акваториях, следует изучать местные ветровые условия и специфические особенности акватории.

В настоящее время происходит совершенствование базы флота. Суда могут принимать информацию о гидрометеорологическом состоянии по наземным и высотным данным. Поступающий с метеорологических спутников прогноз – это исключительно ценная информация о тропических и фронтальных циклонах, тайфунах, облачности и др. важнейших природных факторах, совокупность которых составляет окружающую обстановку. На представленной таблице (рисунок 1.17), взятой из сети Интернет, можно определить текущий и будущий прогноз силы и направления ветра, а затем учитывать эти данные на дистанции [117].

Все более широкое распространение получает проводка судов специализированными офисами, учитывающими метеорологическую обстановку, в которых зачастую работают опытные капитаны. Штурманский состав должен обладать умением использовать гидрометеорологическую информацию, читать синоптические (факсимильные) карты (рисунок 1.18), а также принимать грамотные решения в соответствии с погодной обстановкой [23].

Рисунок 1.18 – Факсимильная карта погоды на 06 часов по UTC 27 ноября На представленной карте указаны области высокого и низкого давления, положения их центров и возможные траектории перемещения, проведены линии раздела различных воздушных масс, выделены зоны осадков [25,79].

Значительное влияние на скоростные характеристики ветра оказывает температура земной и водной поверхности. Когда температура земли ниже температуры воздушных масс и воды, направление ветра стабилизируется, а скорость снижается. При температуре земли, более высокой относительно температуры воздуха и воды, происходит усиление ветра и его порывистости. Разница в нагреве поверхности земли и воды является причиной циркуляции воздушных масс. Примером данной циркуляции воздушных масс могут быть ночные и дневные бризы.

Дневной бриз дует с моря на сушу, начинается примерно в 9-10 часов и ощущается в море в 10 и более километрах от берега. Обычная скорость бриза составляет 5–10 м/с, или 5 баллов по Бофорту.

Вечерний бриз дует с суши на море и распространяется в глубь моря на меньшие расстояния со скоростью ветра 1–2 м/с. Бризы не вызывают заметного волнения моря. Признаком существования циркуляции воздуха служат кучевые облака, находящиеся над островами и полуостровами.

Анализ основных факторов и составляющих окружающей обстановки в районе плавания позволяет сделать следующие выводы.

1. Для безопасности и успешного движения по курсу при выходе в плавание необходимо знать метеорологическую обстановку района плавания.

2. Каждый яхтенный капитан должен уметь пользоваться факсимильной картой и принимать правильное решение на основании полученных данных.

3. Автоматическая обработка информации позволяет повысить безопасность мореплавания, а также при прокладке маршрута выбрать оптимальный курс к ветру с учетом его прогноза.

В процессе изучения и анализа возмущающих воздействий удалось выявить факторы, значимые для создания системы автоматизированного управления парусным судном. К ним относятся:

- личностные и профессиональные характеристики экипажа;

- особенности маршрута – наличие препятствий, возмущающие воздействия (доминирующие и переменные метеорологические условия – направление ветра, волнение и т.д.);

- конструктивные особенности и задачи парусного судна.

В связи с этим необходимы дополнительные исследования в области управления парусным судном и формирование системы алгоритмов управления для разработки АСУ. Создание автоматизированной системы управления парусным судном требует, во-первых, разработки специфических моделей поведения экипажа, ориентированных на использование автоматизированной системы управления судном, включающих алгоритмы выбора маршрута и принятия решения в сложных метеорологических условиях.

Во-вторых, необходима разработка и формирование корпуса общих методов обработки данных об окружающей обстановке и парусном судне и отображения данной информации; частных моделей и методик управления парусным судном.

Для этого, в-третьих, требуется решение следующих практических вопросов.

1. Уточнение и отработка модели выбора оптимального маршрута, его корректировки при наличии препятствий.

2. Учет и использование возмущающих воздействий:

1) волнения моря, которое представляет собой нерегулярный процесс, при моделировании процессов прогнозирования скорости и траектории движения парусного судна;

2) направления ветра – при определении поворотных точек на маршруте и оптимального курсового угла относительно ветра, поскольку движение парусного судна может осуществляться против ветра с наибольшей скоростью;

при оценке движения против ветра и определении оптимального хода парусного судна относительно ветра, так как угол атаки вымпельного ветра влияет на величину подъемной силы крыла и выходной мощности парусного судна;

3) крена, оказывающего влияние на скорость и направление движения парусного судна, для чего необходимо разработать метод оптимизации крена;

4) различных метеорологических условий при разработке модели сопротивления, необходимой для уточнения скорости парусного судна.

В-четвертых, для безопасности экипажа парусного судна и корректного планирования плавания необходимы точные данные о метеорологической обстановке в районе мореплавания.

Основные научные результаты, изложенные в первой главе, опубликованы [2,11,12,14,90,91,94,96].

2. Математические основания разработки системы автоматизированного 2.1. Скорость и направление движения парусного судна в зависимости от Для определения скорости движения парусного судна при различной скорости ветра принято использовать полярную диаграмму скоростей. Рулевой парусного судна планирует маршрут, основываясь на ее параметрах. Однако полярная диаграмма не учитывает высоту и направление волнения на акватории, которое не всегда совпадает с направлением ветра.

Для помощи рулевому при управлении парусным судном разрабатывается автоматизированная система управлении (АСУ). Данная система должна давать рекомендации экипажу по управлению судном в процессе мореплавания. В разрабатываемой АСУ скорость парусного судна при различной силе ветра рассчитывается с учетом влияния полей волн, окружающих судно.

Программа должна давать рекомендации по управлению парусным судном на основе полученных результатов и в соответствии с заданным направлением движения.

Следует отметить особенности движения парусного судна в полях волн:

1) увеличение сопротивления движению вследствие воздействия на корпус давления ветра, волн и качки;

2) уменьшение эффективности управления рулем из-за изменения обтекания руля волнами;

3) увеличение динамических нагрузок на такелаж парусного судна, что требует уменьшения площади парусов;

4) возникновение необходимости снижения скорости парусного судна изза опасных ударов корпуса о набегающие волны и при спуске с попутных волн.

Процессы влияния ветра и волнения на скорость парусного судна представлены на рисунке 2.1.

Дополнительное сопротивление Естественное снижение Рисунок 2.1 – Основные причины уменьшения скорости парусного судна Одна из первых работ по оценке сопротивления движению парусного судна при волнении была проведена в 1973 г. исследователями Герритсмом и Мойесом в Делфтском техническом университете, Нидерланды. Они определили характеристики парусного судна, оказывающие наибольшее влияние на величину волнового сопротивления. В их работе судно рассматривалось как бесконечный цилиндр, движущийся в регулярной системе волн [102,103]. Во время движения при таком волнении у парусного судна возникает дополниVH x1 + i e (xb x1 y1 ) + i ekD eikxbcos В, тельная вертикальная скорость ( ) [8,75,104,107]:

где 1, 1 – смещение координат центра тяжести при качке (рисунок 2.2), рад;

– координата судна, м;

– волновое число, k = В - высота волны, м;

– усредненная осадка СПС, D =, м;

В – угол бега волн относительно курса судна, рад;

– кажущаяся частота встречи волны с парусным судном, определяется по формуле где = – истинное значение частоты волнения, рад/с.

Рисунок 2.2 – Смещение координат при волнении Дополнительно сопротивление на регулярных волнах рассчитывается по формуле [8,100] где п – коэффициент поперечного затухания, зависящий от формы корпуса [101] (рисунок 2.3), Па.

Рисунок 2.3 – Коэффициент поперечного затухания Однако в природе процесс морского волнения неустойчивый и нерегулярный, так как параметры волны зависят от возраста волн, длины разгона и степени развитости волнения, приливно-отливных явлений, течений и многих других факторов [25,79]. При затухании ветрового волнения и отсутствии ветра образуются волны, называемые «зыбь», которые близки к регулярному волнению. При наложении системы ветровых волн и зыби образуется смешенное – нерегулярное – волнение (рисунок 2.4а).

Рисунок 2.4 – Волнение: а) нерегулярное волнение; б) ветровая волна;

Перспективу развития волнового процесса определяют с помощью безсВ, размерного коэффициента ВТ – скорость ветра на высоте 6 м над поверхностью воды, м/с.

где сВ – скорость перемещения профиля волны, м/с;

Анализ полученных данных показывает, что при В = 1 питание волн от энергии ветра прекращается; при В 1 – замедляется; при В 1 – развивается.

Для определения сопротивления движению парусного судна при нерегулярном волнении спектр волнения рассчитывается на основании формулы Барлинга [81] где k k – безразмерный коэффициент, пропорциональный крутизне волнения определяемый из таблиц (таблица 2.1), где h1/3 – значительная высота волны, м;

– период волны, с.

Коэффициент k k определяется из соотнощения средней длины (В ) к высоте (В ) волнения, которые рассчитываются по формулам Л. Ф. Титова [81] Таблица 2.1 – Определение коэффициента 7,6 10,3 13,5 17,0 21,0 25,4 30,3 35,5 41,1 47,3 53, Для определения дополнительного сопротивления из-за наложения лиS ()d.

нейных эффектов и каждой частоты волны используется выражение [8,100 ] Волнение оказывает влияние на аэродинамические характеристики палебания с периодом и угловой скорости приводят к периодическим изрусов из-за периодических вертикальных и угловых колебаний. Данные коменениям угла атаки вымпельного ветра, что накладывается на скорость парусного судна. В этом случае необходимо учитывать коэффициент подъемной силы (Cy ), для этого в работе использовалось выражение [71] где а,, соответствуют движению крыла, не совершающего колебания.

Определив аэродинамическую силу при волнении, можно произвести расчет теоретической скорости (VSP ) по формуле [8] где – объемное водоизмещение СПС, м3.

На рисунке 2.5 приведен пример изменения скорости парусного судна класса «Конрад 25Р» при различных направлениях волн для скорости ветра м/с.

Рисунок 2.5 – Изменение скорости в зависимости от направления бега волн Расчет изменения скорости парусного судна при различных ветроволновых условиях плавания позволяет построить более точную модель движения, что позволяет более точно рассчитать время прихода в конечную точку.

2.2. Построение оптимального маршрута при наличии препятствий При прокладке маршрута парусного судна может сложиться множество вариантов движения относительно таких препятствий, как острова, материк и другие навигационные объекты. Зачастую рулевому необходимо привести парусное судно в пункт прибытия наиболее безопасным путем и за минимальное время. Проложить маршрут, самый выгодный по времени прохождения дистанции с учетом силы и направления ветра, позволяет, как было установлено (см. 1.3.1), использование теории графов.

ти на графе между парами вершин, формируется взвешенный граф ( = На основании алгоритма Форда-Беллмана [55] о поиске кратчайшего пуописывающий путь от старта до финиша, то есть содержащий множество последовательных дуг = {, |, }. Граф задан матрицей весов порядка n:

Для построения оптимального маршрута и уменьшения времени прохождение ПС дистанции весовые коэффициенты задавались с учетом направления ветра и волн по формуле 2.11, при этом значения коэффициентов Алгоритм поиска кратчайшего пути начинается из вершины v0 (старт), предложено корректировать с учетом прогноза погоды.

затем помечаются вершины vj метками и расстояния wij от v0. После выбирается путь, имеющий наименьшее время прохождения от v0 в vz (финиш) с рицу d(k) порядка n:

меньшим количеством дуг (k) и веса кратчайших путей записываются в матdk время кратчайшего пути из vi в vj на шаге k, Данные о путях заносятся в матрицу p(k) порядка n:

В качестве первого шага алгоритма по определению кратчайшего пути предлагается следующие выражение На следующем шаге происходит пересчет матрицы расстояний по форdk = min1 dim + wmj.

муле При = и = имеет место равенство:

Далее происходит пересчет элементов матрицы P (k) Алгоритм требует n 1 шагов и заканчивает работу, когда вершине vz присваивается окончательная метка и отсутствуют висячие вершины.

Вывод: разработанный способ построения оптимального маршрута парусного судна с учетом гидрометеорологической обстановки в районе плавания и расположенных навигационных объектов, что позволяет автоматизировать процесс прокладки курса парусного судна.

2.3. Модель движения против ветра и при вероятном его изменении В описаниях движения парусного судна против ветра [38,47,83] есть положение о том, что количество поворотов в процессе движения к поставленной цели определяется рулевым эмпирически. Результаты прогнозирования траектории движения можно расширить с учетом пунктов 1.3.2 и 1.5.

В процессе диссертационного исследования были определены лавировочные углы при различных скоростях и направлениях ветра для парусного судна класса «Конрад 25Р» [7,14]. Оптимальные значения лавировочных углов приведены во втором столбце таблицы 2.2.

Таблица 2.2 – Ветро-скоростные характеристики «Конрад 25Р»

Скорость ветра Оптимальный Направление вымпельного ветра Для облегчения движения к конечной точке, если, например, экипаж паСмена галсов происходит, когда судно, следующее к цели под углом опт, русного судна неопытен, возможно движение двумя галсами (рисунок 2.6).

находится в точке y1, x1, а курс проложен на цель. В международной терминологии такой галс принято называть LayLine.

Точка поворота в декартовой системе координат по оси y определяются по формуле где опт – оптимальный лавировочный угол ПС;

Точка поворота по оси x определяется по формуле Рисунок 2.6 – Движение к цели с одним поворотом В процессе движения парусного судна возможна смена направления ветра, что приведет к увеличению количества поворотов, в результате чего может увеличиться затрачиваемое на прохождение пути время [20]. Для уменьшения влияния изменения направления ветра во время прохождения дистанции траектория движения парусного судна к финишу обычно ограничивается пограничным сектором, позволяющим совершать движение ближе к генеральному курсу.

русного судна – угол. В работе предельные значения угла определялись Угол пограничного сектора, ограничивающий траекторию движения паметодом «золотого сечения» [44]:

где a0 и b0 – заданная область, град. Если дистанция больше 100 миль, то присваивается min, в противном случае max.

Внутри диапазона угол задавался экспоненциальной зависимостью [37,42] При уменьшении пограничного сектора или увеличении расстояния количество поворотов возрастает. Точка каждого поворота определяется по формулам где n – количество поворотов.

Начало движения в таком секторе задавалось с правого галса [48,53,72].

В случае, если начало движения с левого галса дает преимущество в скорости, то начало движения предпочтительнее осуществлять с левого галса.

Важно отметить, что траектория движения парусного судна в пограничном секторе схожа с затухающей синусоидой, которая ведет к бесконечно малым колебаниям с бесконечно большим количеством поворотов. Для уменьшения количества поворотов при подходе к конечной точке предлагается использовать метод Хука – Дживса [52]. Последний поворот выходит за границы сектора и определяется по формулам где – расстояние проходимое парусным судном за 1 минуту.

Пример траектории такого движения показан на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Траектория движения судна галсами Для выбора лучшей траектории движения против ветра и вероятного его изменения разработана функция поворота пограничного сектора, которая учитывает большие отклонения направления ветра (рисунок 2.8). Данные поступают из сети Интернет [117]. Когда доступ к сети Интернет отсутствует, можно использовать данные о преобладающих ветрах из лоции района мореплавания. В процессе диссертационного исследования использовались данные о преобладающих ветрах в заливе Петра Великого [45] в период навигации маломерного флота (Таблица 2.3).

Таблица 2.3 – Преобладающие ветра в заливе Петра Великого Угол поворота пограничного сектора определяется по формуле где µ – вероятность изменения направления ветра (%) определяемого из таблицы 2.3. Расчет происходит, когда µ 0,25 [43]. Угол при повороте по часовой стрелке – положительный. Если направление ветра определено по прогнозу из сети Интернет, присваивается вероятность 0,5.

При пересечении парусным судном пограничного сектора необходимо судна по оси с учетом формулы (2.24) определяется по формуле выполнить поворот на противоположный галс. Точка поворота парусного Поворот по оси с учетом формулы (2.25) определяется по формуле где параметр (1)n+1 задается рекурсивно [42].

Направление движения парусного судна на траектории с учетом изменения ветра происходит в сторону поворота пограничного сектора.

Предполагаемое направление Рисунок 2.8 – Оптимальный лавировочный путь с учетом вероятного На основании предложенных выражений можно сделать вывод, что разработанный способ расчета траектории движения парусного судна навстречу ветру с учетом его изменения позволяет построить оптимальный маршрут, а также рассчитать количество поворотов при различной дистанции.

2.4. Отклонение парусного судна от заданного курса при волнении Поля волн оказывают значительное влияние на управление парусным судном, особенно при попутном волнении со скоростью, близкой к скорости волн. При таком движении парусное судно становится неасимптотически устойчивым на прямом курсе, а управление им – затруднительным. Это явление называется «рыскание».

Для расчета рыскания использовалась модель А.М. Басина [16,19], определяющая рыскание судна на регулярном волнении. При оценке влияния геометрических элементов судна на его динамическую устойчивость возникновению угла дрейфа и угловой скорости вращения используется теория крыла. В соответствии с данной теорией позиционные и вращательные силы на корпусе судна можно определить по следующим формулам:

где k – коэффициент дифферента судна, k = (1 + ), – дифферент судк к – относительное удвоенное удлинение корпуса, к = на, град;

0,9 – коэффициент, учитывающий влияние кормовой оконечности;

ПС, м);

1,3 1,5 – коэффициент, характеризующий влияние неэллиптических шпангоутов.

Безразмерные коэффициенты дифферента рассчитываются по формулам где l – приведенная длина подреза форштевня, определяется: l = L(1 н );

н и к – коэффициенты полноты носовой и кормовой части диаметральной плоскости судна, связанные с площадями Sн и Sк, находятся в завин = ; к = симости:

где к – площадь кормового подзора, м2 ;

н – площадь носового подзора, м2.

В представленной модели рыскания парусного судна величина 11 хаm11 = рактеризует присоединенные массы воды, которая определяется по формуле где 11 – коэффициент присоединенных масс по оси, 11 = Для приведения уравнения движения к безразмерному виду в модели введена безразмерная величина Из формулы (2.35) следует, что безразмерное время представляет собой за время с начальной скоростью VSP. Безразмерная встречаемость волн с определенное количество длин корпуса, которое парусное судно прошло бы судном определяется по формуле Безразмерная амплитуда встречаемости парусного судна с волновым склоном определяется по формуле где – амплитуда угла волнового склона, = Возникающий дополнительный угол отклонения парусного судна от курса, вызванный рысканием при волнении, определяется по формуле [8] где где – радиус инерции масс судна, м.

Учет рыскания парусного судна в полях с волнами требует учета следующих эффектов в управлении.

достигает наибольшего значения при В 135° при скорости, близкой к скоАмплитуда рыскания парусного судна велика на попутном волнении, ростью волн.

В 60.

2. На встречном волнении амплитуда рыскания достигает максимума при 3. При движении парусного судна лагом к волнам В = 90° амплитуда рыскания минимальна.

На основании предложенной модели разработан способ расчета изменения курсовых углов парусного судна при различных волновых условиях плавания.

2.5. Принципы эффективного управления парусным В настоящее время определить местоположение парусного судна на поверхности Земли приемником ГНСС можно достаточно быстро и точно, что позволяет перейти к автоматизированному управлению на заданном маршруте. Для автоматизации управления необходимо:

– задать программу плавания;

– приложить управляющие воздействия к объекту управления;

– возвращать судно на заданный маршрут при отклонении от заданной траектории и производить корректировку дальнейшего движения.

точки (WP), 1,.. (рисунок 2.9), в которых требуется изменить курс судПрограмму плавания можно создать заблаговременно, наметив путевые на [64].

При длительном переходе из точки отправления в пункт прибытия по ортодромии применяется формула cosSкр = sinПС sinфин + cosПС cosфин cos (фин ПС ).

где Когда расстояние между началом и концом пути не превышает миль, плавание можно совершать по локсодромии, по формуле [40] M0 – обсервованная точка; C - поправка на снос; K P - курс по ортодромии; N - направление севера Рисунок 2.9 – Схема задания и коррекции программы плавания Для определения квадранта, в котором располагается курс, требуется следующая операция:

При воздействии на парусное судно таких внешних факторов, как течение, волнение, влияние ветра, а также из-за ошибок в управлении происходит смещение судна с заданной траектории движения. Смещение определяется по формуле Если |li | lзад, то судно находится в заданной зоне движения, если |li | lзад, то необходима корректировка курса для выхода точку.

Для компенсации воздействия внешних факторов в полученное значение курса вводят поправку на снос. Поправка определяется по формуле Затем следует проверить динамические свойства системы и выяснить, какие управляющие ограничения для этого необходимы. Ограничения должц max или ны быть следующие:

где ц max – максимальная угловая скорость судна, рад/с;

R ц min – минимальный радиус циркуляции судна, м.

При соблюдении данных ограничений может быть использован критерий оптимизации выхода на расстояние и времени возвращения судна на заданный курс:

Выводы: предлагаемые принципы позволяют задавать программу плавания путевыми точками, которые служат для расчета курса и расстояний. При этом вводится поправка на снос, учитывающая воздействия внешних факторов на парусное судно.

2.6. Оценка влияния крена на скоростные параметры Анализ влияния крена на скорость парусного судна проведен в первой главе (1.4.5). Накрененному корпусу парусного судна сопутствуют эффекты изменения смоченной поверхности и волнового сопротивления, которые вызваны асимметрией подводной части корпуса (рисунок 2.10) и различным распределением его погруженного объема [97,98].

Вычислить изменение площади смоченной поверхности из-за крена () можно, используя выражение [100] где 1 – осадка по миделю до киля, м;

0, … 3 – коэффициенты смоченной поверхности при крене (таблица – коэффициент погруженной части миделя, Cm = 2.4);

Таблица 2.4 – Коэффициенты смоченной поверхности Определение сопротивления трения возможно не только с учетом кривизны и шероховатости парусного судна, но и такого возмущающего воздействием как крен, подставив значения выражения (2.11) и (2.51) в (1.36), можисследования было определенно сопротивление трения при крене от 0° и до но определить зависимость трения от крена. В процессе диссертационного 35°, для парусного судна класса «Конрад 25Р», специфика изменения представлена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 – Сопротивление трения при крене ПС «Конрад 25Р»

Исследователи Делфтского технического университета занимались изучением изменения сопротивления парусного судна вследствие влияния кребуксировки модели без крена и с креном в 20°. В результаты была предложена. Они выясняли зависимость сопротивления от крена судна, посредством на формула зависимости сопротивления движению от крена [100] где 0, … 5 – коэффициенты общей скорости (таблица 2.5);

– центр плавучести, устанавливаемый измерением от носа парусного судна, м.

Таблица 2.5 – Коэффициенты общей скорости При движении парусного судна под креном значительно уменьшается величина аэродинамической силы тяги. Это обусловлено тем, что аэродинамическая сила приложена в центре парусности (ЦП), который с увеличением крена перемещается вниз, вследствие чего скорость ветра уменьшается. Зависимость уменьшения скорости ветра от высоты центра парусности (п ) иллюстрирует рисунок 2.12.

Рисунок 2.12 – Зависимость скорости ветра от высоты центра парусности Снижение силы тяги можно определить по формуле [83,109] где – коэффициент силы тяги (таблица 2.6);VВВ – скорость вымпельного ветра при крене, определяется следующим выражением [106] Таблица 2.6 – Коэффициенты силы тяги Для решения задачи по оптимизации крена с максимальной силой тяги парусов при минимальном сопротивлении трения в исследовании осуществлялся за счет проекции на ось абсцисс оптимальную тягу парусов. Оптимальная сила тяги парусов определяется на основании критерия максимина Гурвица [22], следующим выражением где a – критерий Гурвица; FТ min и FТmax – сила тяги парусов, соответствуют минимуму и максимуму при крене от 0° до 35°.

В качестве примера определен оптимальный крен (ОПТ ) для парусного судна класса «Конрад 25Р» (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 – Оптимальный крен для ПС класса «Конрад 25Р»

Таким образом, в результате анализа факторов, влияющих на изменение скорости при крене, и на основе выражений (2.51) - (2.55) разработана модель с помощью которой возможно рассчитывать оптимальный крен для любого парусного килевого судна при различной скорости ветра.

При разработке методов автоматического управления парусным судном:

рассчитана мощность парусного судна при нерегулярном волнении, что позволяет моделировать скорость и время, затраченное на прохождение маршрута;

определено отклонение парусного судна от заданного курса при волнении, что позволяет проложить маршрут с учетом этого отклонения;

разработан способ движения парусного судна галсами против ветра с учетом вероятного его изменения, что повышает вероятность сокращения времени прохождения маршрута;

рассчитан оптимальный крен, обеспечивающий безопасность мореплавания при движении с максимальной скоростью.

Основные научные результаты, изложенные в главе, опубликованы в работах [4,7,8,14].

3. Реализация системы автоматизированного управления парусным судном 3.1. Алгоритм и функции автоматизированного управления Структура АСУ представляет собой совокупность взаимосвязанных программных модулей, каждый из которых выполняет определенные функции как: построение оптимального маршрута, настройка парусов, оптимизация крена, управление парусным судном на маршруте и др.

Для применения на практике автоматической системы управления, обеспечения безопасного мореплавания и понимания текущей обстановки рулевому ПС необходима информация о координатах местоположения судна в настоящий момент и степени соответствия реальных скоростных результатов с теоретическими, о силе и направлении ветра, о маршруте при постоянном и непостоянном направлении ветра и о крене, о настройке парусов, а также отображение навигационной карты и т. д.

Программа должна взаимодействовать с пользователем и формулировать рекомендации по управлению парусным судном.

При разработке АСУ были определены четыре основные составляющие движения парусного судна. Первая – это построение маршрута, включая прокладку курса к месту прибытия, обход препятствий по пути следования, и подготовку к отображению его в интерфейсе пользователя. Вторая составляющая – оптимальная настройка парусов относительно ветра для достижения максимальной скорости движения. Третья составляющая – оптимизация крена ПС. Четвертой является управление парусным судном на маршруте [5,88]. Обобщенный алгоритм реализации программы представлен на рисунке 3.1.

тель вводит координаты финиша (фин, фин ), затем следует проверка постуКак видно из блок-схемы алгоритма, после включения АСУ пользовапления входных данных от датчиков и приборов. Если данные не поступают из-за отсутствия прибора или его неработоспособности, пользователю необходимо вручную ввести запрашиваемые данные, полученные эмпирическим либо иным путем.

Построение маршрута Рисунок 3.1 – Обобщенная блок-схема алгоритма разрабатываемой АСУ мореплавание. В разрабатываемую АСУ введен критерий ВТ = 13 м/с, соотДалее проверяется наличие ветровых условий, позволяющих совершить ветствующий 7 баллам по шкале Бофорта (небольшой шторм) [68,70]. Если скорость ветра будет больше 13 м/с, то программа укажет ближайшее место убежища с координатами уб, уб и задаст их в качестве конечной точки. В процессе разработки АСУ были определены ближайшие места убежища в заливах – Амурском, Уссурийском, Славянском и Посьет. В качестве мест убежища выбирались закрытые бухты с оборудованными пирсами. Места убежища отмечены красными точками на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Места убежища в районе залива Петра Великого Если скорость ветра меньше 13 м/с, то АСУ строит оптимальный маршрут в соответствии с алгоритмом работы программы.

3.2. Выбор технических средств измерений Для разрабатываемой АСУ необходимо постоянное поступление информации о состоянии парусного судна и окружающей обстановки [28]. Количество и качество поступающей информации определяется составом и характеристиками датчиков, измеряющих навигационные параметры парусного судна и обстановки на маршруте.

В зависимости от вида измеряемых параметров и обстановки к датчикам относятся:

– устройство (датчик) определения навигационных параметров парусного судна;

– датчик положения пера руля и ветра относительно диаметральной плоскости;

– измеритель скорости парусного судна относительно воды;

– датчик курса;

– датчик измерения положения горизонтальной плоскости.

Для определения местоположения парусного судна целесообразно использовать приемник ГНСС [23]. Приемник непрерывно передает географические координаты, позволяя совершать движение по заданной траектории.

Однако используемый в данном случае приемник GPS изображен на рисунке 3.3а.

Предоставление пользователю информации о положении пера руля относительно диаметральной плоскости происходит путем передачи данных от датчика – положения пера руля (рисунок 3.3б), расположенного на румпеле.

Рисунок 3.3 – Измерительные датчики: а) антенна GPS; б) датчика – положения пера руля Данные о ветре в АСУ поступают от виндекса (рисунок 3.4а) – датчика, определяющего направление и скорость вымпельного ветра. Виндекс обычно располагается на топе мачты.

Измерение скорости парусного судна относительно воды в АСУ осуществляется с помощью вертушечного лага, пример которого приведен на риплоскости ~1/3 полушироты по ватерлинии.

сунке 3.4б. Лаг установлен перед килем со смещением от диаметральной Рисунок 3.4 – Измерительные датчики: а) виндекс; б) лаг Поступление данных в автоматизированную систему управления с вышеописанных датчиков происходит по текстовому протоколу связи морского оборудования NMEA 0183. Передача данных осуществляется через последовательный интерфейс RS-232. [10].

Для определения магнитного курса ПС относительно диаметральной плоскости используется цифровой компасный модуль (рисунок 3.5а). В него входит 2-х осевой магниторезистивный датчик, который передает данные в АСУ. Компас необходимо располагать на расстоянии 1 м от крупных металлических частей.

АСУ определяет уровень крена и дифферента парусного судна по данным, поступающим с 3-х осевого датчика акселерометра (рисунок 3.5б), который расположен в диаметральной плоскости мидель шпангоута.

Рисунок 3.5 – Измерительные датчики: а) компас; б) акселерометр;

Для определения положения стакселя и грота относительно ветра автоматизированная система управления может использовать датчики длины (рисунок 3.6), установленные на шкотовых блоках.

Датчик длины в рамках работы изготавливался самостоятельно. На внешнем корпусе блока устанавливалось два геркона и 6 магнитов на краях ролика. При движении стакселя или гика-шкота происходило замыкание герконов. Источником тактирования счетчиков длины являлся микроконтроллер акселерометра [112].

ходило по компьютерной шине I 2 R через USB-разъемы.

Передача данных электронного компаса и акселерометра в АСУ происПримерная схема установки датчиков и приборов представлена на рисунке 3.7.

1 – датчик угла поворота пера руля; 2 – лопастный датчик ветра;

3 – приемник GPS; 4 – акселерометр; 5 – датчик длины гика-шкотов;

6 – датчик длины стаксель-шкотов; 7 – лаг; 8 – электронный компас Рисунок 3.7 – Схема установки датчиков и приборов 3.3. Процедура получения прогноза погоды из сети Интернет Процедура получения прогноза погоды из сети Интернет представлена в виде алгоритма, изображенного на рисунке 3.8.

Для осуществления данной процедуры можно использовать браузеры с открытым исходным кодом, например Firefox, Chrome, Safari. АСУ получает с браузера веб-ресурсы в виде HTML-документа – текстовую разметку по протоколу сетевого уровня – обычно фрагментами по 8 КБ.

Синтаксический разбор страницы Формирование значений на маршруте Рисунок 3.8 – Алгоритм получения прогноза погоды Первым действием данного алгоритма является проверка доступа АСУ к сети Интернет. При отрицательном ответе АСУ автоматически присваивает значения преобладающих ветрам района мореплавания.

В случае если есть доступ к сети Интернет, АСУ отправляет запрос на веб-ресурс для получения данных гидрометеорологического прогноза. ПоПС, ПС и фин, фин. Далее происходит синтаксический анализ HTMLследующие действия состоят в определении района прогноза по координатам документа, в ходе которого синтаксический анализатор Java CC [51] разбирает и анализирует входной текст в соответствии с заданными значениями доТакие параметры В, В, В, ВТ, ВТ которые характеризуют расчетную скокумента, определяющими навигационные параметры на все время маршрута.

рость и траекторию движения парусного судна.

Программа переходит к модулю построения маршрута, присвоив координаты конечной точке маршрута.

Модуль построения маршрута плавания представляет собой подпрограмму, разработанную в помощь экипажу парусного судна для представления оптимального маршрута движения в одном из окон разрабатываемой программы. Работа данного модуля разделена на три части.

1. Построение маршрутов и выбор минимального по времени маршрута.

2. Определение курса и дистанции до конечной точки.

3. Отображение графического изображения карты на экране.



Pages:   || 2 |
 
Похожие работы:

«Максимов Егор Андреевич АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННО – ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОРЕХОДНОГО ВЕЗДЕХОДА ДЛЯ ПРИБРЕЖНОГО ПЛАВАНИЯ И ПРОМЫСЛА Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, Судовождение Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : к.т.н.,...»

«АРТЕМОВА СВЕТЛАНА ГЕОРГИЕВНА РАЗРАБОТКА ПОЛИЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПАРКИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ В ГОРОДАХ Специальность 05.22.10 Эксплуатация автомобильного транспорта ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор Алексиков...»

«Железнов Дмитрий Валерианович Методология усиления провозной способности железных дорог России в условиях реформы отрасли 05.22.08 – Управление процессами перевозок Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант доктор технических наук, профессор Батурин Александр...»

«КОВРИГИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК СЦЕПЛЕНИЯ ИХ ШИН СО ЛЬДОМ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.10 Эксплуатация автомобильного транспорта Научный руководитель : кандидат технических наук, доцент Малюгин П. Н. Омск – СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Наперов, Владимир Владимирович Обеспечение безопасности и защиты транспортных комплексов и транспортных средств при перевозке легковоспламеняющихся грузов Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Наперов, Владимир Владимирович.    Обеспечение безопасности и защиты транспортных комплексов и транспортных средств при перевозке легковоспламеняющихся грузов  [Электронный ресурс] : Дис. . канд. техн. наук...»

«Тюрин Сергей Васильевич УСКРЕННАЯ ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК НА ОСНОВЕ ВЫБОРА РЕЖИМОВ ПОДКОНТРОЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 05.22.10 Эксплуатация автомобильного транспорта Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., профессор А.А. Ревин Волгоград 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. ВВЕДЕНИЕ.. 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 1.1...»

«КОВАЛЕВ Роман Васильевич РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДИК КОМПЬЮТЕРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ И ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЭКИПАЖЕЙ Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Погорелов Д.Ю. Брянск - ВВЕДЕНИЕ...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Плешакова, Ольга Владимировна Снижение вредного влияния автотранспорта на окружающую среду крупного города Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Плешакова, Ольга Владимировна.    Снижение вредного влияния автотранспорта на окружающую среду крупного города  [Электронный ресурс] : На примере г. Омска : Дис. . канд. техн. наук : 05.22.01. ­ Новосибирск: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки)....»

«Сухов Алексей Алексеевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ВАРИАТИВНОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ...»

«БАБЕЛ Марек ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА ОБЪЁМОВ И ТЕХНОЛОГИЙ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЗОВ ПО КРИТЕРИЮ СТОИМОСТИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА Специальность: 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени ДОКТОРА технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор КОССОВ Евгений Евгеньевич...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.