Overzicht van de in het kader van het onderzoek naar de besturing van schepen uitgevoerde proeven bij TNO-IWECO

WERKTUIGKUNDIGE MEET- EN REGELTECHN1EK

Semenvating: Gegeven wordt een versiag van de in 1973

uitgevoerde proeven met de simulator van TNO-IWECO. Ilierbij wordt in het hijzonder aandacht besteed aan de mathematische modellen van de gesimuleerde schepen, de uiteindelijke opzet van de proeven en de geobserveerde proefperzonen.

In hot laatste hoofdstuk worden de te verwachten resultaten behandeld.

Schri1er: W. \Te1dhjyzen

lite1: "Overzicht van de in het kader van het onderzoek naar de besturing

van schepen uitgevoerde proeven bij

TN O - I W ECO

Rapport nr.: N-96

Datum: i november 1973

Dit onderzoek Icon tot stand komen dankzij

financile steun van hot

Nederlands Scheeps Studie Centrum.

lotaal an(d paginas:

_i

7

N-96-2-.INHOUD biz. I INLEIDING ₃ II DE NANOEUVREEREIGENSCHAPPEN VAN DE GESIMULEERDE SCHEPEN III DE FROEFPERSONEN ₉

IV DE OPZET VAN DE POEVEN 10

V DE UITVOERING VAN DE PROEVEN 13

VI MOGELIJKE RESULTATEN EN KONTINUERING 15 VAN HET ONDERZOEK

LITERATUUR 16

I. INLEIDING

Door de sektie Mens-Nachine Systemen van het Laboratorium voor

Werktuigkundige Meet- en Regeltechniek van de Technische

Hogeschool te Deift wordt reeds enkele jaren onderzoek verricht

naar het gedrag van de mens als bestuurder van een schip. Dit

onderzoek wordt uitgevoerd in samenwerking met het Laboratorium

voor Scheepsbouwkunde van de Technische Hogeschool en het

Instituut voor Werktuigkundige Constructies (TNO-IWECO) te Deift.

Dit onderzoek heeft o.a. tot doel:

Het verkrijgen van inzicht in het dynamisch gedrag van het

door de mens bestuurde schip.

Bet opstellen van kriteria t.a.v. de bestuurbaarheid

van

schepen.

Bet verkrîjgen van kennis t.b.v. het ontwerpen van havens,

vaargeulen, enz.

! Bet verkrijgen

van kennis t.b.v. het ontwerpen van nieuwe

nautische instrumenten.

Getracht wordt dit doel te bereiken door het opstellen

van

een mathematisch model voor de beschrijving van het gedrag

van de roerganger.

In 1972 zijn in het kader van dit onderzoek experimenten

uitgevoord met de simulator van TN0-I'EC0. Op grond

_{van deze}

resultaten is een mathematisch model opgesteld voor het

gedrag van de roerganger van een 200.000 tdic tanker (i).

Na analyse van de resultaten is de behoefte ontstaan de

toepasbaarheid van het model ook voor andere situaties

na

te gaan (andere scheepstypen en andere koersopdrachten), het

model zonodig te verbeteren en inzicht te verkrijgen

in de

waarden van de modelparameters afhankelijk van het te besturen

schip. Daartoe zijn in 1973 gedurende drie weken circa

250

proeven uitgevoerd, waarbij eveneens van de

inanoeuvreersimu-lator van TNO-IWECO gebruik is gemaalct.

In dit rapport wordt een overzicht

gegeven van de uitgevoerde

proeven. In het laatste hoofdstuk worden enkele voorlopige

resultaten en de te verwac]ten resultaten beschreven.

N-96-4E-II. DE MANOEUVREEREIGENSCHAPPEN VAN DE GESIMULEERDE SCIIEPEN

De manoeuvreereigenschappen van de te simuleren schepen moesten voldoen aan de volgende eisen:

I. De karakteristieken moesten realistisch zijn, d.w.z. dat het denkbaar is, dat er een schip bestaat waarvan de

manoeuvreereigenschappen overeenkomen met de eigenschappen van het te simuleren schip.

2. Net betrekking tot de manoeuvreereigenschappen moesten _de gesimuleerde schepen representatief zijn voor alle

be-staande schepen.

De gesimuleerde schepen kunnen ingedeeld worden in drie categorien m.b.t. de stationaire karakteristiek (d.i. het

verband tussen de roerhoek 5 en de hoeksnelheid 1() _in

stationaire toestand):

Schepen met een min of meer lineaire karakteristiek

(zie fig. la).

Schepen met een (hysteresis) lus in de stationaire karakteristiek. Dit zijn de zogenaamde koersinstabiele schepen (zie fig. lb).

3.. Schepen met een karakteristiek waar _{een dode zone in} voor-komt. Schepen, uitgerust met twee schroeven en

midscheeps geplaatst roer, kunnen een dergelijke karakte-ristiek vertonen (zie fig. ic).

Elk der drie categorien.kunnen _{verder verdeeld worden in}

Zeer snel reagerende schepen (b.v. _{kustvaarders).}

Normaal reagerende schepen (b.v. _{normale koopvaardijschepen).} Zeer langzaam reagerende schepen (b.v. _{grote tankers).}

Voor de besturing van de simulator _{moest een model gekozen} worden dat voldeed aan de voigende eisen:

Het model moest eenvoudig van vorm zijn, i.v.m. de verdere verwerking van de proefresultaten.

lIet instellen van een nieuw _{schip moest zondor veel}

tijd-verlies kunnen gebeuren.

Het model moest alle bovenbeschreven _{karakteristieken}

Fig. la

\roorbee]d van een min of meer

lineaire karakteristiek.

Fig. lb

Voorbeeld van een instabiele

karakteri stiek.

Fig. Ic

Voorbeeld van eeñ karakteristiek met een dode zone.

Gekozen is een model, dat grote ,gelijkenis vertoont _{met een}

model, gegeven door Norrbin (2 en

3).

Het

_modele

in feite

het eerste orde model van Nomoto (tj) uitgebreid met _enkele niet-lineaire termen, heeft de volgende gedaante:

3 .1/3

T+a1ia2ií, +a3tji

waarin: = deviatie;

= roerhoek;

= hoeksnelheid van het schip = d 1p/dt; = _{hoekvêrsnelling van het schip =}

d T = tijdkonstante; K = _{versterkingsfaktor;} a1, 2 a3 = cof'ficienten. (i)

N-96-6--Door voor a1, a2, a3 en K geschikte waarden te kiezen, kan de gewenste vorm van de stationaire karakteristiek benaderd

worden.

Opgemerkt kan worden, dat de cofficient T, die hierboven wordt aangegeven als tijdkonstante, strikt genomen geen

tijdkonstante is, maar een konstante met de tijd als dimensie; deze zegt lets over de sneiheid waarmede het schip reageert. Voor de simulatie van het gedrag van de stuurmachine is gebruik

gemaakt van ceri eerste orde differentiaal vergelijking van de volgende vorm:

T (5 + (5 = (Sg (2)

waarin T6 = tijdkonstante = 1 sek;

(5 = stand van het stuurwiel;

g

6 _{= stand van het roer.}

Onidat de hoeksnelheid van een roer niet groter kan worden dan een zekere eindige waarde moet _{begrensd worden.} Het totale stelsel vergelijkingen voor het gedrag van de

stuurrnachine wordt derhalve:

T6 +

= (2)

max (3)

Voor (S is 3°/sek. genomen. In tabel i is een overzicht

max

gegevan van de bij de proeven gebruikte waarden voor T, K,

a1, a2 en a3. Er zijn schepen gesimuleerd met _{zes verschillende} stationaire Icarakteristieken (zie fig. 2). Voor de konstante T zijn drie waarden gebruikt (n.l. 10, 50 en

₂₅₀

sek.).

Er zijn derhalve 18 verschillende kombinaties _mogelijk.

In verband met de beperkte tijd zijn niet al deze koinbinaties

onderzocht, doch alleen de kombinaties zoals gegeven in

genoemde tabel _{1. Aangenomen mag worden, dat deze kombinaties} echter een voldoende inzicht geven in het gedrag van de

kcir.

0.6

4

Fig. 2. Resultaten van spiraalproeven met het mathematisch model.

Voor de waarden van de parameters zie

tabel 1.

5 in graden, i4i in graden/sek.

0.2

o

_- -6

-02 16

--0.4

-

N-96-8-TABEL 1. Overzicht van de waarden van de parameters in het model voor de beschrijving van het

gec!rag van de te sirnuleren schepen.

Karaicteristiek _Parameters a1 a2

a3

K T

I

1 _{5 0 -0,05 10} 1 ₅ 0 -0,05 50 1 ₅ 0 -0,05 ₂₅₀ II 0 5 0 -0,05 10 0 5 0 -0,05 50 III -1 5 0 _-0,05 lo -1 ₅ 0 -0,05 50 -1 ₅ 0 -0,05 250 IV -1 5 0 _-0,025 10 -1 ₅ ( -0,025 50 V -1 5 1 -0,1 ₁₀ -1 5 1 -0,1 50 -1 5 1 -0,1 250 VI -1 5 1 -0,05 10 -1 ₅ 1 -0,05 50

III. DE PROEFPERSONEN

De proefpersonen waren acht leerlingen

van de Hogere

Zeevaartschool te Amsterdam. Hun

_{rang hep uiteen van}

matroos tot derde stuurman. De ervaring in het besturen

van schepen bepericte zich meestal tot het besturen

van

kustvaarders of normale koopvaardijschepen (tot

_circa

10.000 ton). Geen enkele proefpersoon

_{had enige ervaring}

niet grotere schepen.

De proefpersonen hadden de instruktie de schepen te

besturen op dezelfde wijze als zij dat ook

_in

werkelijic-heid plachten te doen.

N 9610

-.1V. DE OPZET VIN DE PROEVEN

Voor het uitvoeren van de proeven is gedurende drie weken de simulator van TNO-IWECO ter beschikking gesteld. Door-dat er naar gestreefd is het mathematisch model voor de beschrijving van het gedrag van het schip eenvoudig van

vorm te houden, konden van deze simulator alleen het kornpas, de hoeksnelheidsrneter (rate of turn indicator) en de

roer-standmeter worden gebruikt. De hoeksnelheidsmeter _{is bij}

deze proeven orn de _{rolgende redenen niet gebruikt:}

De nauwkeurigheid van de op de simulator aanwezige hoeksnelheidsrneter zou in dit geval (zonder storingen) veel groter zijn dan in een vergelijkbare

praktijk-situatie.

Het ligt in de bedoeling _{orn de invloed van de} hoeksnel-heidsmeter op het gedrag van de roerganger in een

af-zonderlijke reeks experimenten te analyseren. Het _is dan eenvoudiger uit te kunnen gaan van een mathematisch model van de roerganger opgesteld voor het geval dat er geen hoeksnelheidsmeter gebruikt is. Op deze wijze kan het verschil tussen beide situaties aangegeven worden. Tijdens de proeven moesten de proefpersonen met vijfticn verschillende schepen (zie tabel i) een aantal koersver-anderingen uitvoeren. De duur van een proef is afhankelijk gesteld van de grootte van de tijdkonstante van het te be-sturen schip n.i. 10 min. voor T = _{10 sekt 20 min. voor}

T = 50 sek eri 40 min voor T = 250 sek.

Voor elke proef werd de proefpersoon gedurende enkele minuten gelegenheid gegeven enigszins met hot schip ver-trouwd te worden.

De te varen koers werd digitaal _{aangegeven op een meter;} veranderde de opgegeven koers dan kionk gedurende enkele

sekonden een geluidssignaal. Bij elke _{proef is gebruik} ge-maakt van dezelfde reeks opdrachten, _{d.w.z dat bij de}

proeven met ceri tijdsduur van 20 en 10 minuten de _opdrachten twee resp. viermaal zo snel gegeven werden als bij de _4o minuten durende proeven.

De te varen koersen bestonden uit een periodiek "signaal (met periode veertig, twintig of tien minuten) waarvan bet beginpunt willekeurig is teneinde herkenning door de

roer-ganger te voorkornen. Tot dit dod werd ook de nominale koers, d.i. de koers van waaruit de andere koersen werden _opgegeven, enkele malen van waarde veranderd. Orn de invloed van de grootte van de koersveranderingen na te kunnen gaan, is ook cen iantal

proeven uitgevoerd waarbij de sprongen in de opgegeven koers 'twee maal zo groot zi.jn gemaakt. In dit geval wordt in dit

rapport gesproken over het B-testsignaal in tegenstelling _tot het A-testsignaal. In figuur 3 is een periode van het A-signaal gegeven voor een proef van ₄₀ minuten.

Voor het uitvoeren van de proeven zijn de proefpersonen ver-deeld in twee groepen (p.p. A i t/m 4 en p.p. B i t/m

4).

De reden hiervoor is dat het teveel tijd _{zou vergen orn elke} proefpersoon elk schip te laten besturen.

In tabel 2 is een overzicht van de geplande _{proeven gegeven.} Er is naar gestreefd orn elke proef twee keer uit _{te voeren,} teneinde na te kunnen gaan in 'hoeverre de resultaten _konsistent

ziin.

In tabel 2 zijn de waarden van de tijdkonstante _{T gegeven per} stationaire karakteristiek, per testsignaal en per groep

proefpersonen, waarvoor de proeven gepland zijn. _{De volgorde} van de proeven is willekeurig gekozen teneinde do invloed van leereffekten zo goed mogelijk te elimineren.

Na afloop van elke proef is door de proefpersoon _een

formu-lier inge-vuld met een aantal vragen _{over de door hem}

uitge-voerde proef. De bedoeling hiervan is _{na te kunnen gaan hoe} bepaalde dynamische eigenschappen van een schip door de roerganger beoordeeld werden en in hoeverre bepaalde

-I

20

N-96-12-Fig. 3. Een periode van ht A-signaal (de te varen koers

lPg als f'unktie van de tijd t) voor een proef' van +0 minuten.

TABEL 2. Overzicht van de geplande proeven

(elke prod indien mogelijk 2 x uit te voeren)

Station.

karakteristiek

Signaal A Signaal B Groep A Groep B Groep A Groep B

I = 10

T=

10

T=

10 T=

10 50 50 50 50 250 250 250 250 II - lo - 10 - 50 -

50

III

10

_-

10 50 - 50 -250 - 250

-IV

10

-

10

-50 -

50

-V - _{10 10}

-

50

_-

_5°

-

250 250 VI - 10 - lo - °

-L

[grad 10 0 nornin(e k oer

DE UITVOERING VAN DE PROEVEN

In totaal zijn 26i proevenuitgevoerd gedurende drie wehen. Tabel 3 geeft een overzicht van de uitgevoerde proeven. Elke geplande situatie is met elke proefpersoon minstens n maal uitgevoerd.

Redenen voor het niet uitvoeren van alle geplande proeven

zijn o.a.

Er was te weinig tijd gepland voor het instellen van eon

nieuw schip.

De proefpersonen hadden meer tijd nodig orn aan een schip

te wennen dan was voorzien.

N96_lLf_

TABEL

_3.

Overzicht van de uitgevoerde proeven.

Schip Test Proefpersonen

St.Kar. Tijdlconst. Sign. Al A2 A3 A4 BI B2 B3 Bti

10 A 2x 2x 2x 2x 2x 2x 2x 2x B 2x lx 2x 2x 2x 2x 2x 2x 50 A 2x 2x 2x 2x 2x 2x 2x- 2x B lx lx 2x 2x 2x 2x 2x 2x 250 A lx lx lx lx 2x 2x 2x 2x B 2x l.x 2x 2x 2x lx Ix 2x II 10 A 2x 2x 2x 2x B 2x 2x 2x 2x 50 A 2x 2x 2x 2x B 2x 2x 2x 2x III 10 A B 2x 2x lx lx 2x 2x 2x 2x 50 A B 2x 2x lx lx 2x 2x 2x 2x 250 A B lx 2x 2x lx 2x 2x 2x 2x IV 10 A 2x lx 2x 2x B 2x 2x 2x 2x 50 A B 2x 2x 2x lx 2x 2x lx 2x V 10 A _{2x 2x} 2x 2x B 2x 2x 2x 2x 50 A 2x 2x 2x 2x B 2x 2x 2x 2x 250 A B 2x ix 2x lx 2x lx lx lx VI 10 A 2x 2x 2x 2x B 2x 2x 2x 2x 50 A 2x 2x 2x 2x B 2x 2x 2x 2x

VI. NOGELIJKE RESULTATEN EN KONTIN1JERING VAN I-lET ONDERZOEK

Aan de hand van de uitgevoerde proeven moet het mogelijic zijn

inzicht te verkrijgen in het gedrag van roergangers van

ver-schillende soorten schepen.

Aan de volgende punten wordt momenteel gewerkt:

De opzet van een simulatie op de AD4/I131i8OO hybriede

reken-installatie van de Technische Hogeschool voor een schatti.ng

van de parameters in een model van de roerganger en het

onderzoeken van mogelijke verbeteringen in de strulctuur van

het model. Het ugt in de bedoeling dat de resultaten

hier-van in de loop hier-van 197

beschikbaar zullen zijn.

De analyse van de resultaten verkregen met het in hoofdstuk

vier genoemde vrageriformulier. Wellicht is het mogelijk

binnen enkele maanden de resultaten hiervan te publiceren.

Een van de problemen bij het schatten van parameters in

een model is de zuiverheid van de gevonden parameterwaarden.

Daarom is begonnen met een onderzoek naar de wiskundige

achtergronden van de te gebruiken

parametersehattings-methode.

In

1e toekomst zal aandacht besteed moeten worden aan o.a.

de volgende punten:

Bij de proeven die tot flu toe zijn uitgevoerd is gebruik

gemaakt van het kompas en de roerstandmeter. Daarnaast

zal in de toekornst de invloed van een hoeksnelheidsmeter

en eon voorspellend display onderzocht moeten worden.

In de toekomst zal ook aandacht besteed nioeten worden

aan

hot besturen van een schip varend b.v. in golven. Tot nu

toe zijn geen uitwendige storingen op het schip beschouwd.

Aandacht zal ook besteed moeten worden aan vaarsituaties,

waarbij niet alleen de koers van het schip van belang is

maar ook de postie een rol speelt.

N-96-16-LITERATUUR

Veldhuyzen, W.-; Stassen, H.G.-;

"Nodoiling the behavior' of the

helmsman steering a ship".

Proc. of the ninth annual conference on manual control, M.I.T. (1973).

Norrbin, N.-;

"On the Design and Analysis of the Zig-Zag Test on Base of Quasi-Linear

Frequency Responset'.

SSPA Report No. B 104-3, Formal

Contribution to 10th ITTC, London 1963.

Norrbin, N.-;

"Zig-Zag Test Technique and Analysis with Preliminary Statistical Results".

SSPA Report No. 12, June 1965 (in Swedish also BSRA translation No. 2188. I

Nomoto, K.-; e.a.

"On the Steering Qualities of Ships".

Het slagen van de in dit rapport vermelde proeven is mede te danken aan de prettige samenerking van de staf van de simulator van TNO-IECO. Voor deze samenwerking wil ik hierbij mijn hartelijke dank betuigen.

In het bijzonder ben 1k het Nederlands Scheeps Studie Centrum erkentelijk voor de financile steun. Zonder deze

zou dit onderzoek niet op deze schaal plaats gehad kunnen