MIROSŁAW TOMERA WIELOOPERACYJNE STEROWANIE RUCHEM STATKU W UKŁADZIE O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ

Transkrypt

1 MIROSŁAW TOMERA WIELOOPERACYJNE STEROWANIE RUCHEM STATKU W UKŁADZIE O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ Gdynia 2018

2 RECENZENCI: prof. dr hab. inż. Roman Śmierzchalski dr hab. inż. Witold Gierusz, prof. nadzw. AMG REDAKCJA I KOREKTA: Ewa Giedziun SKŁAD I OPRACOWANIE GRAFICZNE: Jolanta Białous Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni WYDAWCA: AKADEMIA MORSKA W GDYNI ul. Morska Gdynia Wszelkie prawa autorskie i wydawnicze zastrzeżone ISBN

3 SPIS TREŚCI Strona SPIS WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ... 7 WSTĘP MODELOWANIE MATEMATYCZNE STATKU Wprowadzenie Kinematyka Układy współrzędnych kartezjańskich Kinematyka w układzie o trzech stopniach swobody Dynamika statku Dynamika bryły sztywnej Siły i momenty hydrodynamiczne Modele uproszczone dynamiki statku Model Davidsona i Schiffa Modele Nomoto ZAGADNIENIA ZWIĄZANE Z AUTOMATYCZNYM STEROWANIEM RUCHEM STATKU Wprowadzenie Planowanie trajektorii zadanej Trajektoria zadana w postaci linii łamanej Trajektoria zadana w postaci linii gładkiej Kierowanie Nawigacja Wybrane urządzenia pomiarowe Filtracja i estymacja zmiennych stanu Sterowanie Sterowanie na kursie Sterowanie układami dynamicznego pozycjonowania Sterowanie wzdłuż zadanej trajektorii będącej linią łamaną Sterowanie wzdłuż zadanej trajektorii będącej linią gładką UKŁAD STEROWANIA RUCHEM STATKU O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ Zadanie sterowania ruchem statku Układy przełączalne stosowane w sterowaniu Struktura układu sterowania ruchem statku... 57

4 4 M. Tomera, Wielooperacyjne sterowanie ruchem statku w układzie o strukturze przełączalnej Strona 3.4. Planowanie trajektorii zadanej Nadrzędny układ przełączający Manewrowanie statkiem przy małych prędkościach (Tryb 1) Podążanie wzdłuż odcinka zadanego (Tryb 2) Śledzenie kursu zadanego (Tryb 3) Zatrzymywanie ruchu statku (Tryb 4) Struktura układu decyzyjnego Zasada działania nadrzędnego układu przełączającego Estymacja prędkości ruchu statku Zbiór regulatorów bezpośredniego działania Wielowymiarowy regulator precyzyjny (Regulator 1) Bezpośredni regulator trajektorii (Regulator 2) Regulator prędkości wzdłużnej statku (Regulator 3) Regulator kursu statku (Regulator 4) Wielowymiarowy regulator małych prędkości (Regulator 5) Podsumowanie BADANIE UKŁADU STEROWANIA O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ Wyznaczenie wartości parametrów dla układów sterowania i nawigacji Obserwator prędkości ruchu statku Regulatory bezpośredniego działania Układ nadrzędny Scenariusze nawigacyjne Scenariusz nawigacyjny nr Scenariusz nawigacyjny nr Scenariusz nawigacyjny nr Podsumowanie WNIOSKI ZAŁĄCZNIKI Załącznik A. MODEL MATEMATYCZNY STATKU TRENINGOWEGO BLUE LADY A.1. Równania opisujące zawartość macierzy modelu A.1.1. Macierz bezwładności A.1.2. Macierz Coriolisa i dośrodkowa A.1.3. Macierz tłumienia

5 5 M. Tomera. Wielooperacyjne sterowanie ruchem statku w układzie o strukturze przełączalnej Strona A.2. Siły i momenty wytwarzane przez układy wykonawcze zamontowane na statku treningowym Blue Lady A.2.1. Dziobowy obrotowy ster strumieniowy A.2.2. Dziobowy tunelowy ster strumieniowy A.2.3. Rufowy tunelowy ster strumieniowy A.2.4. Rufowy obrotowy ster strumieniowy A.2.5. Napęd główny A.2.6. Ster płetwowy A.2.7. Model zakłóceń zewnętrznych Załącznik B. DYSKRETNY FILTR KALMANA Załącznik C. BADANE TRAJEKTORIE ZADANE RUCHU STATKU C.1. Scenariusz nawigacyjny nr C.2. Scenariusz nawigacyjny nr C.3. Scenariusz nawigacyjny nr C.4. Algorytm do wyznaczania parametrów trajektorii zadanej Załącznik D. BADAWCZA PLATFORMA SPRZĘTOWA I PROGRAMOWA BIBLIOGRAFIA STRESZCZENIE W JĘZYKU POLSKIM STRESZCZENIE W JĘZYKU ANGIELSKIM

6 STRESZCZENIE Niniejsza monografia wpisuje się w nurt tematyczny związany z automatycznym sterowaniem ruchem statku nawodnego, a w szczególności z rozwojem algorytmów sterowania przeznaczonych dla statków bezzałogowych, których pojawienie się spodziewane jest w niedalekiej przyszłości. W pracy rozpatrzony został jeden z aspektów takiego sterowania ruchem statku, polegający na realizacji trasy rejsu z miejsca cumowania, znajdującego się w porcie wyjściowym, do nowego miejsca cumowania, znajdującego się w porcie docelowym. Przemieszczenie statku na tak zdefiniowanej trasie przejścia wymagało zaprojektowania układu sterowania, umożliwiającego wykonanie różnych zadań obejmujących: odbijanie i przybijanie statku do brzegu, manewrowanie w porcie, ruch statku wzdłuż zadanej trasy rejsu z prędkościami marszowymi i zatrzymywanie ruchu statku. Zaplanowana trasa przejścia dla poruszającego się statku opisana została za pomocą trajektorii zadanej, składającej się ze zbioru punktów zwrotu, obejmujących zadane prędkości ruchu statku i połączonych odcinkami prostoliniowymi. Realizację zadań, zaplanowanych do wykonania i zapisanych w trajektorii zadanej, można było podzielić na pewne etapy, obejmujące: manewrowanie w porcie lub w bardzo wąskich kanałach nawigacyjnych, podążanie wzdłuż liniowego odcinka trajektorii zadanej, zatrzymywanie na trasie, pozwalające na wytracenie prędkości przez statek, realizowane przy przechodzeniu do operacji związanych z manewrowaniem. Spowodowało to konieczność zastosowania odrębnych algorytmów sterowania do realizacji tych zadań, a także odpowiedni układ przełączania pomiędzy nimi, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności podczas tych przełączeń. W rozdziale pierwszym wprowadzono oznaczenia, stosowane do opisu ruchu statku, który w najogólniejszej postaci rozważany jest w sześciu stopniach swobody, oraz zaprezentowano modele matematyczne dynamiki statku, które posłużyły do syntezy regulatorów przełączalnych, wykorzystywanych w różnych trybach operacyjnych ruchu statku. W związku z tym, że w niniejszej pracy rozważane jest sterowanie ruchem statku po powierzchni wody, opis ruchu statku został ograniczony do trzech stopni swobody: w kierunkach wzdłużnym x, poprzecznym y i obrotu kątowego. Zakładając ruch jedynie w płaszczyźnie horyzontalnej (poziomej), wartości amplitudy ruchu związane z nurzaniem z, kołysaniami bocznymi i kiwania są pomijalne. Struktura opracowanego i zastosowanego w pracy układu sterowania ruchem statku, opiera się na koncepcji zaproponowanej przez Fossena (2002), składającej się z czterech zasadniczych modułów: planowania trajektorii zadanej, kierowania, sterowania oraz nawigacji. Przedstawiono ją w rozdziale 2. W tym samym rozdziale dokonano również przegląd światowego dorobku naukowego dla każdego z modułow składowych, z którego wynika, że rozwój algorytmów sterowania jest ściśle powiązany z rozwojem technologii, zastosowanej do automatyzacji jednostek pływających. W rozdziale 3 zaprezentowano szczegółowy opis zaproponowanej i zrealizowanej struktury układu sterowania, pozwalającej na realizację kilku zadań

7 198 M. Tomera. Wielooperacyjne sterowanie ruchem statku w układzie o strukturze przełączalnej operacyjnych, ułatwiających przebycie przez statek całej trasy rejsu, rozpoczynającej się w porcie wyjściowym w miejscu jego zacumowania, a kończącej się w porcie docelowym w nowym miejscu cumowania. W porównananiu z układem, opisanym w rozdziale 2, znacznej rozbudowie uległ moduł sterowania, w którym zastosowano strukturę hierarchiczną składająca się z układu nadrzędnego, zawierającego układ decyzyjny oraz z układu podrzędnego, zawierającego zbiór przełączalnych regulatorów, włączanych bezpośrednio w pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego i sterujących wybranymi, zamontowanymi na statku urządzeniami wykonawczymi. Zaproponowana koncepcja sterowania opiera się na trajektorii zadanej, będącej linią łamaną, uzyskaną z połączenia odcinkami prostoliniowymi kolejnych punktów zwrotu. W nadrzędnym układzie sterowania wyodrębnione zostały cztery operacyjne tryby pracy zaprojektowanego układu sterowania o strukturze przełączalnej. Z każdym z tych operacyjnych trybów pracy powiązany został inny zestaw regulatorów przełączalnych. W zbiorze regulatorów przełączalnych zastosowano algorytmy jednowymiarowych i wielowymiarowych regulatorów typu PID, które mają tą zaletę, że ich zasada działania jest łatwa do intuicyjnego zrozumienia. Syntezy algorytmów regulatorów przełączalnych dokonano na podstawie uproszczonych modeli matematycznych dynamiki statku, odpowiednich dla danego trybu operacyjnego ruchu statku, opisanych w rozdziale 1. W rozdziale 4 przedstawiono wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych opracowanego układu sterowania o strukturze przełączalnej, zastosowanego do sterowania ruchem statku treningowego Blue Lady. Badania symulacyjne przeprowadzono na bardzo złożonym, nieliniowym modelu matematycznym dynamiki statku, szczegółowo opisanym w załączniku A. Trajektorie zadane, wykorzystane w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych, znajdują się w załączniku C. W układzie sterowania ruchem statku zastosowano oryginalny układ sterowania o strukturze przełączalnej, wykonujący zadania zapisane w trajektorii zadanej. Wyniki badań eksperymentalnych stanowią praktyczną weryfikację opracowanego układu sterownia ruchem statku oraz algorytmów zastosowanych w regulatorach przełączalnych. Istotnym uzupełnieniem treści monografii jest załączona, licznie cytowana bibliografia, przedstawiająca wyniki prac badawczych, dotyczących zagadnień związanych ze sterowaniem ruchem nawodnych jednostek pływających i układów przełączalnych. Uzyskane wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych potwierdziły poprawność opracowanej metody sterowania ruchem statku, umożliwiającej zrealizowanie całej zaplanowanej trasy rejsu, rozpoczynającej się w miejscu cumowania w porcie wyjścia, a kończącej się w nowym miejscu cumowania w porcie docelowym. Jednak konieczne jest rozszerzenie opracowanej i przebadanej struktury automatycznego sterowania ruchem statku o możliwości unikania kolizji. Aby bezzałogowe jednostki morskie mogły działać w przyszłości w sposób autonomiczny, to bezwzględnym wymogiem jest wyposażenie ich w system unikania kolizji. Nikt nie pozwoli takim jednostkom poruszać się po morzu obok ruchu załogowego, jeśli prawdopodobieństwo zderzeń nie zostanie zredukowane do minimum.