NO337927B1 - Minimizing power consumption for automatically steered vessels subject to external interference - Google Patents

Description

Minimering av kraftforbruk for automatisk styrte fartøy utsatt for eksterne forstyrrelser Minimizing power consumption for automatically steered vessels exposed to external disturbances

Oppfinnelsens område Field of the invention

Den foreliggende oppfinnelsen angår et system for å minimere kraftforbruk og aktuatorslitasje for et automatisk styrt fartøy i nærvær av eksterne forstyrrelser. Slike forstyrrelser inkluderer krefter og momenter fra omgivelsene som skyldes vind, bølger og strøm, samt krefter og momenter som skyldes driftsspesifikt utstyr som ankre, kabler, rør, tråler, osv. The present invention relates to a system for minimizing power consumption and actuator wear for an automatically steered vessel in the presence of external disturbances. Such disturbances include forces and moments from the environment caused by wind, waves and currents, as well as forces and moments due to operation-specific equipment such as anchors, cables, pipes, trawls, etc.

Nærmere bestemt er oppfinnelsen ment for fartøy hvor posisjonen og orienteringen er automatisk styrt ved å kombinere 1) optimal fartøysorientering for å redusere styringskreftene og momentene som motvirker lavfrekvente eksterne krefter og momenter med 2) relaksert styring for å redusere styringskreftene og momentene som motvirker høyfrekvent eksterne krefter og momenter. More specifically, the invention is intended for vessels where the position and orientation are automatically controlled by combining 1) optimal vessel orientation to reduce the steering forces and moments that counteract low-frequency external forces and moments with 2) relaxed steering to reduce the steering forces and moments that counteract high-frequency external forces and moments.

Den foreslåtte løsningen er å styre fartøyet innen et tillatt område av posisjoner og orienteringer istedenfor en spesifikk posisjon og orientering. Det tillatte posisjonsområdet inkluderer ønsket posisjonssettpunkt/bane, mens det tillatte orienteringsrommet inkluderer den optimal fartøysorienteringen som minimerer styrekreftene og -momentene som kreves for å holde fartøyet i det tillatte posisjonsrommet. The proposed solution is to steer the vessel within a permitted range of positions and orientations instead of a specific position and orientation. The allowed position range includes the desired position setpoint/trajectory, while the allowed orientation space includes the optimal vessel orientation that minimizes the steering forces and moments required to keep the vessel in the allowed position space.

Anvendelsesområde Area of application

Oppfinnelsen kan anvendes på alle marine fartøy, inkludert overflate- og undervannsfartøy. Oppfinnelsen kan anvendes i det generelle tilfellet med seks frihetsgrader, som omfatter jaging, slingring, hiv, rulling, stamping og giring - eller i en redusert delmengde av disse. Som et minimum må fartøyene være utstyrt med aktuatorer som muliggjør automatisk styring av deres langsgående bevegelse og deres orientering. The invention can be applied to all marine vessels, including surface and underwater vessels. The invention can be used in the general case of six degrees of freedom, which includes chasing, yawing, heaving, rolling, pitching and yawing - or in a reduced subset of these. As a minimum, the vessels must be equipped with actuators that enable automatic control of their longitudinal movement and their orientation.

Oppfinnelsen kan anvendes i alle marine operasjoner hvor det er trygt å la fartøyets posisjon og orientering avvike fra ønsket settpunkt/bane. Slike operasjoner omfatter standby, overvåking, søk og redning, osv. Oppfinnelsen kan implementeres for både bemannede og ubemannede fartøy, involvere alle typer fartøy inkludert offshorefartøy, militære fartøy, fritidsfartøy, osv. The invention can be used in all marine operations where it is safe to let the vessel's position and orientation deviate from the desired set point/track. Such operations include standby, surveillance, search and rescue, etc. The invention can be implemented for both manned and unmanned vessels, involving all types of vessels including offshore vessels, military vessels, recreational vessels, etc.

Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention

Tidligere arbeid relatert til minimering av kraftforbruk og/eller aktuatorslitasje for automatisk styrte fartøy angår anvendelsen dynamisk posisjonering (DP). Previous work related to the minimization of power consumption and/or actuator wear for automatically steered vessels concerns the application of dynamic positioning (DP).

Spesifikt er formålet med et DP-system å automatisk holde/følge ønsket settpunkl/bane for posisjon og orientering for et fartøy som er utsatt for eksterne forstyrrelser ved å bruke energiforbrukende aktuatorer som thrustere, propeller, ror, osv. For enkelhets skyld og uten tap av generalitet, vil begrepet aktuator bli brukt for ethvert fremdrifts- og styringsmiddel i dette dokumentet. Specifically, the purpose of a DP system is to automatically hold/follow the desired setpoint/trajectory for position and orientation for a vessel subject to external disturbances using energy-consuming actuators such as thrusters, propellers, rudders, etc. For convenience and without loss of generality, the term actuator will be used for any means of propulsion and control in this document.

Under sikkerhetskritiske marine operasjoner er fartøyets posisjons- og orienteringsnøyak-tighet av høyeste prioritet, uavhengig av kraftforbruk og aktuatorslitasje. For ikke-kritiske operasjoner kan imidlertid posisjons- og orienteringsnøyaktigheten reduseres for å redusere kraftforbruk og aktuatorslitasje. During safety-critical marine operations, the vessel's position and orientation accuracy is of the highest priority, regardless of power consumption and actuator wear. However, for non-critical operations, the position and orientation accuracy can be reduced to reduce power consumption and actuator wear.

Nærmere bestemt utsettes et sjøgående overflatefartøy for miljøforstyrrelser fra både luft og vann, inkludert vind, bølger og strøm. Disse forstyrrelsene kan kvalitativt deles inn i to hovedkategorier: More specifically, a seagoing surface vessel is exposed to environmental disturbances from both air and water, including wind, waves and currents. These disturbances can be qualitatively divided into two main categories:

• En statisk kategori, som består av lavfrekvente forstyrrelseskomponenter • A static category, which consists of low-frequency disturbance components

• En dynamisk kategori, som består av høyfrekvente forstyrrelseskomponenter. • A dynamic category, which consists of high-frequency disturbance components.

Med hensyn på statiske forstyrrelser, finnes det et signifikant potensial for å redusere kraftforbruk og aktuatorslitasje ved å justere orienteringen ettersom de fleste fartøy har en ikke-symmetrisk, rektangel-lignende form. Dermed vil en dreining av fartøyet for å minimere skrogarealet som er eksponert mot miljøforstyrrelsene føre til minimert kraftforbruk. Slik oppførsel kalles værhaning (weather våning). Considering static disturbances, there is significant potential to reduce power consumption and actuator wear by adjusting the orientation as most vessels have a non-symmetrical, rectangle-like shape. Thus, turning the vessel to minimize the hull area that is exposed to the environmental disturbances will lead to minimized power consumption. Such behavior is called weathering.

Med hensyn på dynamiske forstyrrelser, finnes det et signifikant potensial for å redusere kraftforbruk og aktuatorslitasje ved å redusere kravene til posisjonsnøyaktighet. Ved å ignorere effektene av de dynamisk forstyrrelsene i posisjoneringsnøyaktigheten, så fremt fartøyet forblir innenfor definerte grenser, kan midlere kraftforbruk og aktuatorslitasje reduseres vesentlig. Slik oppførsel kalles relaksert posisjonering. Taking dynamic disturbances into account, there is significant potential to reduce power consumption and actuator wear by reducing positional accuracy requirements. By ignoring the effects of the dynamic disturbances in the positioning accuracy, as long as the vessel remains within defined limits, average power consumption and actuator wear can be significantly reduced. Such behavior is called relaxed positioning.

Tidligere kjent teknikk har fokusert individuelt på enten værhaning eller relaksert posisjonering, og ikke en kombinasjon av fremgangsmåtene. Prior art has focused individually on either weathercocking or relaxed positioning, and not a combination of the methods.

Med hensyn til værhaning har kommersiell bruk vært kjent i flere tiår i forhold til f. eks offshore lasteoperasjoner. I tillegg omfatter akademisk forskning og publikasjoner: • Pinkster, J. A. og U. Nienhuis (1986). Dynamic positioning of large tankers at sea. In: With regard to weathering, commercial use has been known for several decades in relation to, for example, offshore loading operations. In addition, academic research and publications include: • Pinkster, J. A. and U. Nienhuis (1986). Dynamic positioning of large tankers at sea. In:

Proceedings of the 18th Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA. Proceedings of the 18th Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA.

• Fossen, T. I. og J. P. Strand (2001). Nonlinear passive weather optimal positioning control (WOPC) system for ships and rigs: Experimental results. Automatica 37(5), 701—715. Har også blitt presentert i WO0034837 (Al). • Kjerstad, 0. K. og M. Breivik (2010). Weather optimal positioning control for marine surface vessels. In: Proceedings of the 8th IFAC CAMS, Rostock-Warnemunde, Tyskland. • Miyazaki, M. R. og E. A. Tannuri (2012). A general approach for DP weathervane control. In: Proceedings of the 16th DP Conference, Houston, Texas, USA. • Fossen, T. I. and J. P. Strand (2001). Nonlinear passive weather optimal positioning control (WOPC) system for ships and rigs: Experimental results. Automatica 37(5), 701—715. Has also been presented in WO0034837 (A1). • Kjerstad, 0. K. and M. Breivik (2010). Weather optimal positioning control for marine surface vessels. In: Proceedings of the 8th IFAC CAMS, Rostock-Warnemunde, Germany. • Miyazaki, M.R. and E.A. Tannuri (2012). A general approach for DP weathervane control. In: Proceedings of the 16th DP Conference, Houston, Texas, USA.

Alle disse fremgangsmåtene implementerer værhaningskonseptet forskjellig, og alle benytter stram (og ikke relaksert) posisjonering sammen med den vær-optimale orienteringen. All of these methods implement the weather tap concept differently, and all use tight (rather than relaxed) positioning along with the weather-optimal orientation.

Med hensyn på relaksert posisjonering, har kommersiell bruk også vært kjent i lang tid, mest kjent gjennom Kongsberg Maritimes DP-funksjonalitet kalt GreenDP, som ble introdusert på markedet i 2002. Dette konseptet er publisert i følgende artikkel: Hvamb, O. G. (2001). A new concept for fuel tight DP control. In: Proceedings of the 5th DP Conference, Houston, Texas, USA. With regard to relaxed positioning, commercial use has also been known for a long time, most famously through Kongsberg Maritime's DP functionality called GreenDP, which was introduced to the market in 2002. This concept is published in the following article: Hvamb, O. G. (2001). A new concept for fuel tight DP control. In: Proceedings of the 5th DP Conference, Houston, Texas, USA.

Denne fremgangsmåten implementerer bare relaksert posisjonering og benytter ikke en væroptimal orientering. This method only implements relaxed positioning and does not use a weather-optimal orientation.

Videre i kjent teknikk introduserte patent N0335595Blet system og en fremgangsmåte for å forbedre effektiviteten til kraftverket i et fartøy ved å bruke en bevegelsesreferanseenhet, patentpublikasjon US6032087A drøfter et styringssystem for skipsposisjonering som bruker vindretning fra et værhane-anemometer, og patentpublikasjon US2013/276688A1 drøfter en automatisk styreanordning og fremgangsmåte for automatisk styring. Further in the prior art, patent N0335595Blet introduced a system and method for improving the efficiency of the power plant in a vessel using a motion reference unit, patent publication US6032087A discusses a ship positioning control system using wind direction from a weather vane anemometer, and patent publication US2013/276688A1 discusses an automatic control device and method for automatic control.

Ovennevnte og andre begrensninger og problemer i kjent teknikk vil bli vist løst av den foreliggende oppfinnelsen. Dette oppnås med systemet spesifisert i de vedføyde patentkravene, nærmere bestemt i det selvstendige patentkravet. The above and other limitations and problems in the prior art will be shown to be solved by the present invention. This is achieved with the system specified in the attached patent claims, more specifically in the independent patent claim.

I dette dokumentet skal begrepet forstyrrelse tolkes som hvilke som helst eksterne krefter og momenter, enten de stammer fra værforhold eller operasjonsspesifikt utstyr. In this document, the term disturbance shall be interpreted as any external forces and moments, whether they originate from weather conditions or operation-specific equipment.

I dette henseende vil begrepet forstyrrelseshaning bli brukt for å beskrive haning mot midlere forstyrrelseskrefter og -momenter, og vil ikke bli begrenset til innretting mot de midlere værkrefter og -momenter, som kalles værhaning. In this respect, the term disturbance taping will be used to describe taping against average disturbance forces and moments, and will not be limited to alignment against the average weather forces and moments, which is called weather taping.

Nyheten i den foreliggende oppfinnelsen er integrasjonen av forstyrrelseshaning med relaksert posisjonering. Dermed, når tillatt, vil en maksimal reduksjon av kraftforbruk og aktuatorslitasje kunne oppnås for enhver forstyrrelsessituasjon, som alltid består av både statiske og dynamiske komponenter. Det er også mulig å frembringe et generelt system som skalerer den spesifiserte tillatte feil til å være omvendt proporsjonal med den påkrevde nøyaktigheten av den aktuelle operasjonen. The novelty of the present invention is the integration of disturbance tapping with relaxed positioning. Thus, when allowed, a maximum reduction of power consumption and actuator wear can be achieved for any disturbance situation, which always consists of both static and dynamic components. It is also possible to produce a general system that scales the specified allowable error to be inversely proportional to the required accuracy of the operation in question.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

Hovedideen i oppfinnelsen er å bruke en kombinasjon av forstyrrelseshaningsstyring med relaksert posisjoneringsstyring for å redusere kraftforbruket og aktuatorslitasje for automatisk styrte fartøy eksponert for ytre forstyrrelser. The main idea in the invention is to use a combination of disturbance handling control with relaxed positioning control to reduce power consumption and actuator wear for automatically steered vessels exposed to external disturbances.

Hovedfordelene med den foreslåtte oppfinnelsen er: The main advantages of the proposed invention are:

Å minimere fartøyets kraftforbruk, hvilket medfører lavere drivstoffkostnader, To minimize the vessel's power consumption, which results in lower fuel costs,

Å minimere slitasje på fartøyets aktuatorer, hvilket medfører lavere vedlikeholds-kostnader. To minimize wear and tear on the vessel's actuators, which results in lower maintenance costs.

Den foreliggende oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de vedføye tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Figur 1 illustrerer forskjellen mellom den foreliggende oppfinnelsen og kjent teknikk. The present invention will be described below with reference to the attached drawings, which illustrate the invention by means of examples. Figure 1 illustrates the difference between the present invention and prior art.

Figur 2 illustrerer et flytdiagram som omfatter oppfinnelsen. Figure 2 illustrates a flow chart comprising the invention.

Figur 3 illustrerer en prosedyre som bruker den foreliggende oppfinnelsen. Figure 3 illustrates a procedure using the present invention.

Figur 4 illustrerer en sammenligning mellom den foreliggende oppfinnelsen og kjent Figure 4 illustrates a comparison between the present invention and the known

teknikk. technique.

Figur 5 illustrerer et generelt fartøystyringssystemoppsett. Figure 5 illustrates a general vessel control system layout.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen Detailed description of the invention

Referanse for et fartøystyringssystem: Reference for a vessel management system:

En referansekonfigurasjon for et fartøystyringssystem er definert som mengden av ønsket posisjon og orientering som skal oppnås. Merk at denne definisjonen gjelder overflate-, undervanns- og luftfartøy, som også tar i betraktning redusert antall frihetsgrader for både fartøy og/eller operasjonsrom. A reference configuration for a vessel management system is defined as the amount of desired position and orientation to be achieved. Note that this definition applies to surface, underwater and aircraft, which also takes into account the reduced number of degrees of freedom for both vessels and/or operating rooms.

Klassisk fartøystyringssystem: Classic vessel management system:

Et klassisk fartøystyringssystem er ansvarlig for å bevege og styre et fartøy mot en viss ønsket referansekonfigurasjon ( pd, ipd) ved å redusere posisjons- og orienterings-feilen uavhengig av energiforbruket. Nærmere bestemt kan formålet med et slikt system beskrives ved hjelp av posisjons- og orienteringsfeil, henholdsvis som: A classic vessel steering system is responsible for moving and steering a vessel towards a determine the desired reference configuration (pd, ipd) by reducing the position and orientation error regardless of the energy consumption. More specifically, the purpose of such a system can be described using position and orientation errors, respectively as:

Forstyrrelses- (vær-) haningssystem: Disturbance (weather) cocking system:

• Et forstyrrelses- (vær-) haningssystem er et styringssystem i stand til å bevege og styre et fartøy mot en viss ønsket referansekonfigurasjon som er sammensatt av en ønsket posisjon (pd) og en spesifikk optimal orientering (t^w) som minimerer energien som brukes for å holde fartøyet i den valgte ønskede posisjonen. Nærmere bestemt kan formålet med et slikt system beskrives ved hjelp av henholdsvis posisjons- og orienteringsfeil som: • A disturbance (weather) handling system is a control system capable of moving and steering a vessel towards a certain desired reference configuration which is composed of a desired position (pd) and a specific optimal orientation (t^w) that minimizes the energy that is used to hold the vessel in the selected desired position. More specifically, the purpose of such a system can be described using position and orientation errors respectively as:

Relaksert fartøystyringssystem: • Et relaksert fartøystyringssystem er ansvarlig for å bevege og styre et fartøy mot en bestemt mengde ønskede referansekonfigurasj oner som er sammensatt av en mengde tillatte posisjoner ( P) som inkluderer den ønskede posisjonen (pd), og spesifikk ønsket orientering 0/>d). Ved å benytte den tillatte posisjonsmengden er denne styringen i stand til å unngå høyfrekvente dynamiske kompensasjoner, og resultatet av denne relakseringen manifesteres som redusert energiforbruk. Nærmere bestemt kan formålet med et slikt system beskrives ved hjelp av henholdsvis posisjonsmengde og Relaxed vessel steering system: • A relaxed vessel steering system is responsible for moving and steering a vessel towards a specific set of desired reference configurations which are composed of a set of allowed positions ( P) that include the desired position (pd), and specific desired orientation 0/> d). By using the permitted amount of position, this control is able to avoid high-frequency dynamic compensations, and the result of this relaxation is manifested as reduced energy consumption. More precisely, the purpose of such a system can be described using position quantity and

orienteringsfeil som: orientation errors such as:

Merk at mengden av tillatte posisjoner ( P) vanligvis kan beskrives ved hjelp av posisj onsbegrensninger. Note that the amount of allowed positions ( P) can usually be described using position constraints.

Foreslått styringssystem: Proposed management system:

• Det foreslåtte styringssystemet kombinerer de viktige fordelene av forstyrrelseshaningssystemet med det relakserte posisjoneringssystemet. Nærmere bestemt inntar systemene en relaksert styring av både posisjon og orientering, hvor det egnede tillatte posisjonsrommet ( P) omfatter den ønskede posisjonen (pd) og det tillatte orienteringsrommet (* ¥) omfatter forstyrrelseshaningens optimale orientering o/a • Ved å utnytte de kombinerte trekkene ved disse systemene, er denne bestemte relakserte styringen i stand til å oppnå den maksimale energieffektiviseringen som kan oppnås for denne typen operasjoner. Nærmere bestemt, ved å anvende dette konseptet er systemet tvunget til å konvergere mot den endelige konfigurasjonen: • Mens anvendelsen av relaksert styring vil redusere forbruk som skyldes høyfrekvente forstyrrelser, vil bruk av en ønsket orientering ved hjelp av et tillatt rom sentrert omkring den væroptimale orienteringen sikre maksimal effektivitet med hensyn til lavfrekvente (konstante) forstyrrelser. • Merk at begge rommene av tillatte posisjoner og orientering vanligvis kan beskrives ved hjelp av posisjons- og orienteringsbegrensninger. • The proposed control system combines the important advantages of the disturbance tapping system with the relaxed positioning system. More specifically, the systems adopt a relaxed control of both position and orientation, where the suitable permitted position space ( P) comprises the desired position (pd) and the permitted orientation space (* ¥) comprises the optimal orientation o/a of the disturbance probe • By utilizing the combined features with these systems, this particular relaxed control is able to achieve the maximum energy efficiency that can be achieved for this type of operation. Specifically, by applying this concept, the system is forced to converge towards the final configuration: • While the application of relaxed control will reduce consumption due to high-frequency disturbances, the use of a desired orientation using an allowable space centered around the weather-optimal orientation ensure maximum efficiency with regard to low-frequency (constant) disturbances. • Note that both spaces of allowed positions and orientations can usually be described using position and orientation constraints.

Beskrivelse av tegninger Description of drawings

Figur 1 viser forskjellene mellom ulike ønskede konfigurasjoner som skal oppnås ved å bruke et styringssystem. Øvre venstre kvadrant viser et klassisk strengt styringssystem hvor fartøyets posisjon 100 og orientering 101 styres mot ønsket posisjon 102 og ønsket orientering 103. Den optimale orienteringen som minimerer innsatsen for å holde fartøyet i den ønskede posisjonen er beskrevet av den heltrukne linjen 105 og er ikke tatt hensyn til verken i klassisk fartøystyring eller relaksert fartøystyring (se definisjoner nedenfor). Forstyrrelses- (vær-) haningssystemet er ansvarlig for å frembringe en optimal referanseorientering som skal styres. Det relakserte styringssystemet tillater fartøyet å ligge i en tillatt mengde posisjoner beskrevet av mengden P mens det gjør streng styring av orientering. Til slutt utvider det foreslåtte styringssystemet konseptet med relaksert styring ved å styre posisjonen og orienteringen til tillatte mengder, og utnytter den optimale orienteringen generert av forstyrrelses- (vær-) haningssystemet til å generere mengden av tillatte orienteringer. Figur 2 viser forskjellene i referanse for hvert styringssystem. Nærmere bestemt vil det vanlige DP-systemet styre posisjon og orientering strengt mot en ønsket posisjon og orientering valgt av operatøren. Forstyrrelses- (vær-) haningssystemet vil også styre på streng måte, men hovedforskjellen er at orienteringen ikke lenger velges av operatøren men beregnes automatisk. Det tredje styringssystemet er GreenDP, som utfører streng styring av orientering men gir relaksert styring av posisjon. Det foreslåtte nye systemet utfører relaksert styring av både posisjon og orientering, og den optimale orienteringen spiller en fundamental rolle i definisjonen av mengden av tillatte orienteringer for forstyrrelses- (vær-) haningssystemet. Figur 3 illustrerer hvordan det foreslåtte relakserte fartøystyringssystemet mottar inndata fra en operatør om ønsket posisjon og grenser for posisjons- og orienteringsstyring sammen med den optimale orienteringen fra forstyrrelses- (vær-) haningssystemet, og tilfører disse variablene som referanser til det relakserte styringssystemet. Posisjons- og orienteringsgrensene kan også fås til å variere automatisk avhengig av operasjonen, slik at grensene er omvendt proporsjonale med den påkrevde operasjonsnøyaktigheten. Figur 4 viser simuleringsresultater som sammenligner værhaning 401, relaksert posisjonering 402 og kombinasjon av forstyrrelses- (vær-) haningssystem og relaksert posisjonering (mørk raster) med en grunnlinjesimulering for normal DP. Det kan ses at det kombinerte konseptet oppnår størst reduksjon i midlere effekt, på over 50%. Figur 5 illustrerer et generelt fartøystyringssystemoppsett hvor den foreslåtte oppfinnelsen er implementert i styringsenheten. Et automatisk styrt fartøy er en kombinasjon av flere komponenter: En operatør som spesifiserer en ønsket posisjon som skal styres, styringsenheten som kombinerer informasjon fra måleenheter og beregner kommandoer for aktuatorenhetene og et fartøy hvis bevegelse er et resultat av kombinasjonen av aktuatorkreftene og momentene og de eksterne kreftene og momentene. Figure 1 shows the differences between various desired configurations to be achieved by using a control system. The upper left quadrant shows a classical strict control system where the vessel's position 100 and orientation 101 are controlled towards the desired position 102 and the desired orientation 103. The optimal orientation that minimizes the effort to keep the vessel in the desired position is described by the solid line 105 and is not taken consideration in neither classic vessel control nor relaxed vessel control (see definitions below). The disturbance (weather) handling system is responsible for producing an optimal reference orientation to be controlled. The relaxed control system allows the vessel to lie in an allowable amount of positions described by the quantity P while making strict control of orientation. Finally, the proposed control system extends the concept of relaxed control by controlling the position and orientation of allowable quantities, and utilizes the optimal orientation generated by the disturbance (weather) handling system to generate the set of allowable orientations. Figure 2 shows the differences in reference for each control system. More specifically, the usual DP system will control position and orientation strictly towards a desired position and orientation selected by the operator. The disturbance (weather) handling system will also control in a strict manner, but the main difference is that the orientation is no longer selected by the operator but is calculated automatically. The third control system is GreenDP, which performs strict control of orientation but provides relaxed control of position. The proposed new system performs relaxed control of both position and orientation, and the optimal orientation plays a fundamental role in defining the set of allowable orientations for the disturbance (weather) sensing system. Figure 3 illustrates how the proposed relaxed vessel control system receives input from an operator about the desired position and limits for position and orientation control together with the optimal orientation from the disturbance (weather) handling system, and adds these variables as references to the relaxed control system. The position and orientation limits can also be made to vary automatically depending on the operation, so that the limits are inversely proportional to the required operational accuracy. Figure 4 shows simulation results comparing weather tapping 401, relaxed positioning 402 and combination of disturbance (weather) tapping system and relaxed positioning (dark grid) with a baseline simulation for normal DP. It can be seen that the combined concept achieves the greatest reduction in average effect, of over 50%. Figure 5 illustrates a general vessel control system layout where the proposed invention is implemented in the control unit. An automatically steered vessel is a combination of several components: an operator who specifies a desired position to be steered, the control unit which combines information from measuring units and calculates commands for the actuator units and a vessel whose motion is the result of the combination of the actuator forces and moments and the external the forces and moments.

Altså, for å oppsummere, angår den foreliggende oppfinnelsen et system for å minimere fartøyets kraftforbruk og aktuatorslitasje på et automatisk styrt fartøy. Fartøyet er utsatt for eksterne forstyrrelser, og systemet omfatter forstyrrelseshaningsmidler for å beregne fartøyets optimale orientering (i/;w) basert på inndata som i det minste delvis angår de eksterne forstyrrelsene. Systemet er tilpasset til å opprettholde fartøyets orientering innen et tillatt orienteringsrom (T) som omfatter forstyrrelseshaningens optimale orientering ( ipw), og dermed reduserer kraftforbruket som skyldes lavfrekvente eksterne forstyrrelseskrefter og -momenter So, to summarize, the present invention relates to a system for minimizing the vessel's power consumption and actuator wear on an automatically steered vessel. The vessel is exposed to external disturbances, and the system includes disturbance handling means to calculate the vessel's optimal orientation (i/;w) based on input data that at least partially concerns the external disturbances. The system is adapted to maintain the vessel's orientation within a permissible orientation space (T) that includes the disturbance crane's optimal orientation (ipw), thereby reducing the power consumption due to low-frequency external disturbance forces and moments

Systemet ifølge oppfinnelsen omfatter også dynamiske posisjoneringsmidler for å opprettholde posisjon eller bane innen et tillatt posisjonsrom ( P) som inkluderer den ønskede posisjonen (pd) eller banen, der styringsmidlene er tilpasset til å tillate fartøybevegelser i forhold til den kjente posisjonen og bane innen det tillatte posisjons/bane rommet og dermed redusere kraftforbruk og aktuatorslitasje som skyldes høyfrekvente eksterne forstyrrelseskrefter og -momenter. The system according to the invention also comprises dynamic positioning means for maintaining position or trajectory within a permitted position space (P) which includes the desired position (pd) or trajectory, where the control means are adapted to allow vessel movements in relation to the known position and trajectory within the permitted the position/path space and thus reduce power consumption and actuator wear caused by high-frequency external disturbance forces and torques.

Det tillatte orienteringsrommet er minimert og kan være variabelt avhengig av målte og kjente parametre. The permitted orientation space is minimized and can be variable depending on measured and known parameters.

Fartøyet er et marint fartøy, inkludert undervannsfartøy, frittflytende fartøy slik som skip, hurtigbåter, plattformer, bøyer, osv., samt fortøyde fartøy. Mulige anvendelser kan omfatte ulike stasjonære og manøvreringsoperasjoner, elektronisk ankring, autopilotstyring, overvåking og søk- og redningsoperasjoner. Systemet kan dermed brukes til å redusere kraftforbruk og aktuatorslitasje for fartøy som virker på en redusert mengde frihetsgrader. The vessel is a marine vessel, including underwater vessels, free-floating vessels such as ships, speedboats, platforms, buoys, etc., as well as moored vessels. Possible applications may include various stationary and maneuvering operations, electronic anchoring, autopilot control, surveillance and search and rescue operations. The system can thus be used to reduce power consumption and actuator wear for vessels operating on a reduced number of degrees of freedom.

Systemet kan brukes i situasjoner som krever en optimal orientering beregnet av et forstyrrelseshaningssystem som kan implementeres ved hjelp av estimatorer, regulatorer eller en hvilken som helst annen form for numerisk algoritme for dette formålet. The system can be used in situations that require an optimal orientation calculated by a disturbance handling system that can be implemented using estimators, regulators or any other form of numerical algorithm for this purpose.

Systemet kan også omfatte en fartøybevegelsesstyring som kan implementeres ved hjelp av adaptive, lineære, ikke-lineære, prediktive, PID eller en hvilken som helst annen form for numerisk algoritme egnet for dette formålet. The system may also include a vessel motion control which may be implemented using adaptive, linear, non-linear, predictive, PID or any other form of numerical algorithm suitable for this purpose.

Claims (6)

1. System for å minimere fartøyets kraftforbruk og aktuatorslitasje på et automatisk styrt fartøy,karakterisert vedat fartøyet er utsatt for eksterne forstyrrelser, og systemet omfatter forstyrrelseshaningsmidler for å beregne fartøyets optimale orientering ( tpw) basert på inndata som i det minste delvis angår de eksterne forstyrrelsene, der systemet er tilpasset til å opprettholde fartøyets orientering innen et tillatt orienteringsrom (T) som omfatter forstyrrelseshaningens optimale orientering ( tpw) bevegelse, og dermed reduserer det kraftforbruket som skyldes de lavfrekvente eksterne forstyrrelseskrefter og -momenter, og der systemet også omfatter dynamiske posisjoneringsmidler for å opprettholde posisjon eller bane innen et tillatt posisjonsrom ( P) som inneholder den ønskede posisjonen (pd) eller banen, der styringsmidlene er innrettet til å tillate fartøybevegelser i forhold til den kjente posisjon eller banen innen det tillatte posisjons/bane-rommet, og dermed reduserer det kraftforbruket og aktuatorslitasje som skyldes høyfrekvente eksterne forstyrrelseskrefter og - momenter.1. System to minimize the vessel's power consumption and actuator wear on an automatically steered vessel, characterized in that the vessel is exposed to external disturbances, and the system includes disturbance handling means to calculate the vessel's optimal orientation (tpw) based on input data that at least partially concerns the external disturbances , where the system is adapted to maintain the vessel's orientation within a permissible orientation space (T) that includes the disturbance boom's optimal orientation ( tpw ) motion, thereby reducing the power consumption due to the low-frequency external disturbance forces and moments, and where the system also comprises dynamic positioning means to maintain position or trajectory within a permitted position space (P) containing the desired position (pd) or trajectory, where the control means are arranged to allow vessel movements in relation to the known position or trajectory within the permitted position /path space, thus reducing the power consumption and actuator wear caused by high-frequency external disturbance forces and moments. 2. System ifølge krav 1, hvor det tillatte orienteringsrommet er minimert.2. System according to claim 1, where the permitted orientation space is minimized. 3. System ifølge krav 1, hvor fartøyet er et marint fartøy, inkludert undervannsfartøy, frittflytende fartøy slik som skip, hurtigbåter, plattformer, bøyer osv., samt fortøyde fartøy.3. System according to claim 1, where the vessel is a marine vessel, including underwater vessels, free-floating vessels such as ships, speedboats, platforms, buoys, etc., as well as moored vessels. 4. System ifølge krav 1, innrettet til å redusere kraftforbruk og aktuatorslitasje for fartøy som opererer på et redusert antall frihetsgrader.4. System according to claim 1, designed to reduce power consumption and actuator wear for vessels operating on a reduced number of degrees of freedom. 5. System ifølge krav 1, som krever en optimal orientering beregnet av et forstyrrelseshaningssystem som kan implementeres ved hjelp av estimatorer, regulatorer eller en hvilken som helst annen form for numerisk algoritme egnet for dette formålet.5. System according to claim 1, which requires an optimal orientation calculated by a disturbance tapping system which can be implemented by means of estimators, regulators or any other form of numerical algorithm suitable for this purpose. 6. System ifølge krav 1, som krever en fartøybevegelsesstyring som kan implementeres ved hjelp av adaptive, lineære, ikke-lineære, prediktive, PID eller en hvilken som helst annen form for numerisk algoritme egnet for dette formålet.6. System according to claim 1, which requires a vessel motion control which can be implemented using adaptive, linear, non-linear, predictive, PID or any other form of numerical algorithm suitable for this purpose.