專利名稱：一種航跡自動舵控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶自動控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種航跡自動舵控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
航跡自動舵能夠自動并準(zhǔn)確實現(xiàn)船舶對設(shè)定航線的跟蹤和保持，保證船舶航行的安全性和經(jīng)濟性。航跡控制主要包括航跡偏差控制和轉(zhuǎn)向控制。傳統(tǒng)的PID舵和自適應(yīng)舵的設(shè)計僅僅基于對航向的跟蹤和保持控制，無法實現(xiàn)航跡控制功能。
船舶操縱具有非線性慢時變特性，船舶的動態(tài)特性與船況、航速有著密切關(guān)系。此外，船舶運動還受到各種隨機干擾(如風(fēng)、浪、流)的影響。因而航跡自動舵要求能夠?qū)崿F(xiàn)精確的航跡控制，并具有很好的適應(yīng)船舶動態(tài)特性變化和海況的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種航跡自動舵控制系統(tǒng)及其方法。系統(tǒng)采用裝置化結(jié)構(gòu)，首先根據(jù)下一轉(zhuǎn)向點信息(經(jīng)度、緯度、設(shè)定航向)及航跡偏差值確定航向角補償值，通過改變航向來消除航跡偏差，并使船舶平滑無超調(diào)地轉(zhuǎn)向到設(shè)定航線。對各種海況(如風(fēng)、浪、流)建立相應(yīng)的偏航效應(yīng)補償裝置，以抵消風(fēng)流等擾動對航跡的影響，保證船舶在海況擾動情況下還能夠克服外力作用而沿設(shè)定航線航行。然后通過虛擬目標(biāo)航向裝置確定出虛擬目標(biāo)航向，并通過航向控制裝置求出跟蹤虛擬目標(biāo)航向所需的舵機舵角控制指令。而且設(shè)置舵角指令自調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)船舶航速和海流速引起的船舶動態(tài)特性變化，對舵角控制指令進行實時補償。最后控制舵機舵角跟蹤舵角控制指令，實現(xiàn)對船舶動態(tài)特性變化和各種海況具有良好的自適應(yīng)能力的船舶航跡控制。以有效地解決船舶自動航行時的航跡控制問題。
控制系統(tǒng)可以分為五部分。
第一部分由航跡偏差裝置M14和相應(yīng)的航向角補償裝置M15組成，主要實現(xiàn)航跡偏差控制和轉(zhuǎn)向控制功能。航跡偏差裝置M14包括GPS定位設(shè)備和嵌入式控制器，航向角補償裝置M15由嵌入式控制器實現(xiàn)。航跡偏差裝置M14裝置根據(jù)實際船位S13，然后與設(shè)定航線S12相比較，求出船舶即時的航跡偏差，并與允許偏差帶相比，當(dāng)船舶在允許偏差帶內(nèi)運行時，航跡控制裝置通過航向保持方式使船舶在允許的偏差帶內(nèi)航行；當(dāng)船舶超出允許偏差帶，航跡控制裝置對航向進行修正，通過變航向控制使船舶相對于設(shè)定航線S12的偏差趨向于零，在轉(zhuǎn)向點S14轉(zhuǎn)向時，航跡控制裝置根據(jù)船舶速度和轉(zhuǎn)向角度確定轉(zhuǎn)向起始點，調(diào)整航向角補償值，使船舶平滑無超調(diào)地轉(zhuǎn)向到設(shè)定航線S12。
第二部分由偏航效應(yīng)裝置M1、M2、M3、和航向角補償裝置組成，主要實現(xiàn)對各種海況的適應(yīng)控制。這一部分的各個功能裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)。偏航效應(yīng)裝置M1、M2、M3和航向角補償裝置M4通過分析各種海況(風(fēng)向S1、風(fēng)速S2、海浪S4)和船況S3對船舶操縱動態(tài)特性的影響，求出針對海況擾動的航向角補償值。
第三部分由虛擬目標(biāo)航向裝置M5、航向偏差裝置M6和航向控制裝置M7組成，主要確定舵角控制指令。虛擬目標(biāo)航向裝置M5由嵌入式控制器實現(xiàn)；航向偏差裝置M6包括羅經(jīng)和嵌入式控制器；航向控制裝置M7由嵌入式控制器實現(xiàn)。虛擬目標(biāo)航向裝置M5在設(shè)定航向S6的基礎(chǔ)上，綜合航向角補償裝置M4給出的針對海況擾動的航向角補償值及航向角補償裝置M15給出的針對航跡偏差的航向角補償值，計算出最佳的虛擬目標(biāo)航向。航向偏差裝置M6、航向控制裝置M7根據(jù)實際航向S10與虛擬目標(biāo)航向的偏差，實時決策出舵機舵角控制指令。
第四部分由舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8、船速計算裝置M9和操舵裝置M10組成，主要實現(xiàn)對船舶動態(tài)特性變化的自適應(yīng)控制。舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8和船速計算裝置M9由嵌入式控制器實現(xiàn)，操舵裝置M10包括液壓傳動、舵角檢測等設(shè)備。舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8根據(jù)船速計算裝置M9的輸出值變化，動態(tài)地調(diào)節(jié)舵角控制指令，而操舵裝置M10則控制實際舵角，使實際舵角跟蹤舵角控制指令，完成對虛擬目標(biāo)航向的跟蹤控制，實現(xiàn)船舶沿設(shè)定航線的航行。
第五部分由顯示器裝置M13和安全信號箱裝置M12組成，實現(xiàn)船位S13、舵角S9、船舶航向S10、以及各種報警信號S11等的顯示和報警。
本發(fā)明具有以下特點(1)控制系統(tǒng)的航跡偏差裝置和航向角補償裝置，可以實現(xiàn)對設(shè)定航線的精確跟蹤和保持；(2)控制系統(tǒng)設(shè)有各種海況偏航效應(yīng)分析功能裝置，對各種海況進行動態(tài)補償，從而能保證精確的航向跟蹤和保持控制；(3)控制系統(tǒng)具有舵角指令自調(diào)節(jié)功能裝置，從而對各種海況和船舶動態(tài)特性變化具有良好的自適應(yīng)能力；(4)航向控制裝置可以采用現(xiàn)有的控制方法，也可以采用智能控制方法。


圖1是航跡自動舵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是船舶自動舵航跡控制系統(tǒng)流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對航跡自動舵控制系統(tǒng)的主要裝置做進一步的描述。
圖2中，功能裝置包括偏航效應(yīng)裝置M1，偏航效應(yīng)裝置M2，偏航效應(yīng)裝置M3，航向角補償裝置M4，虛擬目標(biāo)航向裝置M5，航向偏差裝置M6，航向控制裝置M7，舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8，船速計算裝置M9，操舵裝置M10，船舶裝置M11，安全信號箱裝置M12，顯示器裝置M13，航跡偏差裝置M14，航向角補償裝置M15。
信號S1表示風(fēng)向，S2表示風(fēng)速，S3表示船況，S4表示海浪，S5表示海流向，S6表示目標(biāo)航向，S7表示航速，S8表示海流速，S9表示舵角，S10表示實際航向，S11表示報警信號，S12表示設(shè)定的目標(biāo)航線，S13表示實際船位，S14表示下一轉(zhuǎn)向點信息。
航跡自動舵控制系統(tǒng)的方法，其步驟如下(1)航跡偏差裝置M14根據(jù)船橋系統(tǒng)提供的或者人工設(shè)定的目標(biāo)航線S12和從船舶裝置M11反饋回來的實際船位S13，實時求出航跡偏差值；(2)航向角補償裝置M15根據(jù)航跡偏差裝置M14求出的航跡偏差值、及船橋系統(tǒng)提供的下一轉(zhuǎn)向點信息S14(經(jīng)度、緯度、設(shè)定航向)，確定補償航跡偏差所需的航向角補償值，通過改變航向來消除航跡偏差，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制；(3)偏航效應(yīng)裝置M1根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的風(fēng)向S1、風(fēng)速S2、船況S3的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(4)偏航效應(yīng)裝置M2根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的海浪S4的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(5)偏航效應(yīng)裝置M3根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的海流向S5，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(6)航向角補償裝置M4綜合偏航效應(yīng)裝置M1、偏航效應(yīng)裝置M2、及偏航效應(yīng)裝置M3輸出的補償指令，實時導(dǎo)出補償干擾所需的航向角補償值；(7)虛擬目標(biāo)航向裝置M5針對船橋系統(tǒng)提供的或者人工設(shè)定的目標(biāo)航向S6，根據(jù)航向角補償裝置M4給出的針對海況擾動的航向角補償值及航向角補償裝置M15給出的針對航跡偏差的航向角補償值，確定當(dāng)前的虛擬目標(biāo)航向指令；(8)航向偏差裝置M6比較從船舶裝置M11反饋回來的實際航向角S10和從虛擬目標(biāo)航向裝置M5給出的虛擬目標(biāo)航向指令，求出航向偏差值；(9)航向控制裝置M7根據(jù)航向偏差裝置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，決策出最佳的舵機舵角控制指令，并輸出到舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8；(10)船速計算裝置M9根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的航速S7和海流速S8的信息，計算船舶的實際航速；(11)舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8根據(jù)船速的變化對船舶動態(tài)特性的影響，結(jié)合船速計算裝置M9計算的實際船速，對航向控制裝置M7推導(dǎo)的舵角控制指令進行調(diào)節(jié)；(12)操舵裝置M10以經(jīng)過舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8調(diào)節(jié)的舵角控制指令為目標(biāo)舵角，進行舵角跟蹤控制，使實際舵角S9達到目標(biāo)舵角，通過改變舵角，實現(xiàn)對船舶裝置M11的實際航向角S10的控制，同時，輸出實際舵角值S9給顯示器裝置M13，根據(jù)需要，還可以作為上傳信號，將實際舵角值S9上傳給船橋系統(tǒng)；(13)船舶裝置M11代表整個船舶系統(tǒng)的船舶裝置M11的航跡控制是通過操舵裝置M10實現(xiàn)的，通過改變操舵裝置M10的舵角值，使船舶裝置M11的實際航向角S10跟蹤虛擬目標(biāo)航向裝置M5給出的虛擬目標(biāo)航向指令，實現(xiàn)船舶裝置M11沿目標(biāo)航線S12航行；(14)安全信號箱裝置M12對系統(tǒng)進行故障檢測，并將各種報警信號S11發(fā)給顯示器裝置M13；(15)顯示器裝置M13接收來自操舵裝置M10的舵角信號S9、船舶裝置M11的航向角信號S10和實際船位信號S13、安全信號箱裝置M12的各種報警信號S11、及其他來自船橋系統(tǒng)的信息，在顯示器上實時顯示更新這些信息，并在發(fā)生故障時進行報警。
權(quán)利要求
1.一種航跡自動舵控制系統(tǒng)，包括五個部分，第一部分由航跡偏差裝置和相應(yīng)的航向角補償裝置組成，主要實現(xiàn)航跡偏差控制和轉(zhuǎn)向控制；航跡偏差裝置包括GPS定位設(shè)備和嵌入式控制器，航向角補償裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；第二部分由偏航效應(yīng)和相應(yīng)的航向角補償裝置組成，主要實現(xiàn)對各種海況的適應(yīng)控制；這一部分的各個功能裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；第三部分由虛擬目標(biāo)航向裝置、航向偏差裝置和航向控制裝置組成，主要確定舵角控制指令；虛擬目標(biāo)航向裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；航向偏差裝置包括羅經(jīng)和嵌入式控制器；航向控制裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；第四部分由舵角指令自調(diào)節(jié)裝置、船速計算裝置和操舵裝置組成，主要實現(xiàn)對船舶動態(tài)特性變化的自適應(yīng)控制；舵角指令自調(diào)節(jié)裝置和船速計算裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)，操舵裝置包括液壓傳動、舵角檢測設(shè)備；第五部分由顯示器裝置和安全信號箱裝置組成，實現(xiàn)船位、舵角、船舶航向、以及各種報警信號的顯示和報警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的航跡自動舵控制系統(tǒng)，其特征在于，航跡偏差裝置裝置根據(jù)實際船位，然后與設(shè)定航線相比較，求出船舶即時的航跡偏差，并與允許偏差帶相比較，當(dāng)船舶在允許偏差帶內(nèi)運行時，航跡控制裝置通過航向保持方式使船舶在允許的偏差帶內(nèi)航行；當(dāng)船舶超出允許偏差帶，航跡控制裝置對航向進行修正，通過變航向控制使船舶相對于設(shè)定航線S12的偏差趨向于零，在轉(zhuǎn)向點轉(zhuǎn)向時，航跡控制裝置根據(jù)船舶速度和轉(zhuǎn)向角度確定轉(zhuǎn)向起始點，調(diào)整航向角補償值，使船舶平滑無超調(diào)地轉(zhuǎn)向到設(shè)定航線S12。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的航跡自動舵控制系統(tǒng)，其特征在于，偏航效應(yīng)裝置和航向角補償裝置通過分析各種海況和船況，對船舶操縱動態(tài)特性的影響，求出針對海況擾動的航向角補償值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的航跡自動舵控制系統(tǒng)，其特征在于，虛擬目標(biāo)航向裝置在設(shè)定航向的基礎(chǔ)上，綜合航向角補償裝置給出的針對海況擾動的航向角補償值及航向角補償裝置給出的針對航跡偏差的航向角補償值，計算出最佳的虛擬目標(biāo)航向，航向偏差裝置、航向控制裝置根據(jù)實際航向與虛擬目標(biāo)航向的偏差，實時決策出舵機舵角控制指令。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的航跡自動舵控制系統(tǒng)，其特征在于，舵角指令自調(diào)節(jié)裝置根據(jù)船速計算裝置的輸出值變化，動態(tài)地調(diào)節(jié)舵角控制指令，而操舵裝置則控制實際舵角，使實際舵角跟蹤舵角控制指令，完成對虛擬目標(biāo)航向的跟蹤控制，實現(xiàn)船舶沿設(shè)定航線的航行。
6.一種航跡自動舵控制系統(tǒng)的方法，其步驟如下(1)航跡偏差裝置M14根據(jù)船橋系統(tǒng)提供的或者人工設(shè)定的目標(biāo)航線S12和從船舶裝置M11反饋回來的實際船位S13，實時求出航跡偏差值；(2)航向角補償裝置M15根據(jù)航跡偏差裝置M14求出的航跡偏差值、及船橋系統(tǒng)提供的下一轉(zhuǎn)向點信息S14，確定補償航跡偏差所需的航向角補償值，通過改變航向來消除航跡偏差，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制；(3)偏航效應(yīng)裝置M1根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的風(fēng)向S1、風(fēng)速S2、船況S3的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(4)偏航效應(yīng)裝置M2根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的海浪S4的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(5)偏航效應(yīng)裝置M3根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的海流向S5，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(6)航向角補償裝置M4綜合偏航效應(yīng)裝置M1、偏航效應(yīng)裝置M2、及偏航效應(yīng)裝置M3輸出的補償指令，實時導(dǎo)出補償干擾所需的航向角補償值；(7)虛擬目標(biāo)航向裝置M5針對船橋系統(tǒng)提供的或者人工設(shè)定的目標(biāo)航向S6，根據(jù)航向角補償裝置M4給出的針對海況擾動的航向角補償值及航向角補償裝置M15給出的針對航跡偏差的航向角補償值，確定當(dāng)前的虛擬目標(biāo)航向指令；(8)航向偏差裝置M6比較從船舶裝置M11反饋回來的實際航向角S10和從虛擬目標(biāo)航向裝置M5給出的虛擬目標(biāo)航向指令，求出航向偏差值；(9)航向控制裝置M7根據(jù)航向偏差裝置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，決策出最佳的舵機舵角控制指令，并輸出到舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8；(10)船速計算裝置M9根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的航速S7和海流速S8的信息，計算船舶的實際航速；(11)舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8根據(jù)船速的變化對船舶動態(tài)特性的影響，結(jié)合船速計算裝置M9計算的實際船速，對航向控制裝置M7推導(dǎo)的舵角控制指令進行調(diào)節(jié)；(12)操舵裝置M10以經(jīng)過舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8調(diào)節(jié)的舵角控制指令為目標(biāo)舵角，進行舵角跟蹤控制，使實際舵角S9達到目標(biāo)舵角，通過改變舵角，實現(xiàn)對船舶裝置M11的實際航向角S10的控制，同時，輸出實際舵角值S9給顯示器裝置M13，根據(jù)需要，還可以作為上傳信號，將實際舵角值S9上傳給船橋系統(tǒng)；(13)船舶裝置M11代表整個船舶系統(tǒng)的船舶裝置M11的航跡控制是通過操舵裝置M10實現(xiàn)的，通過改變操舵裝置M10的舵角值，使船舶裝置M11的實際航向角S10跟蹤虛擬目標(biāo)航向裝置M5給出的虛擬目標(biāo)航向指令，實現(xiàn)船舶裝置M11沿目標(biāo)航線S12航行；(14)安全信號箱裝置M12對系統(tǒng)進行故障檢測，并將各種報警信號S11發(fā)給顯示器裝置M13；(15)顯示器裝置M13接收來自操舵裝置M10的舵角信號S9、船舶裝置M11的航向角信號S10和實際船位信號S13、安全信號箱裝置M12的各種報警信號S11、及其他來自船橋系統(tǒng)的信息，在顯示器上實時顯示更新這些信息，并在發(fā)生故障時進行報警。
全文摘要
本發(fā)明涉及船舶自動控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種航跡自動舵控制系統(tǒng)及其方法。系統(tǒng)包括五個部分第一部分航跡偏差裝置和相應(yīng)的航向角補償裝置；第二部分偏航效應(yīng)和相應(yīng)的航向角補償裝置；第三部分虛擬目標(biāo)航向裝置、航向偏差裝置和航向控制裝置；第四部分舵角指令自調(diào)節(jié)裝置船速計算裝置和操舵裝置；第五部分顯示器裝置和安全信號箱裝置；方法包括實時求出航跡偏差值；實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制；給出航向角的補償指令；確定當(dāng)前的虛擬目標(biāo)航向指令；求出航向偏差值；輸出到舵角指令自調(diào)節(jié)裝置；計算船舶的實際航速；推導(dǎo)的舵角控制指令進行調(diào)節(jié)；實際舵角值上傳給船橋系統(tǒng)；實現(xiàn)船舶裝置沿目標(biāo)航線航行；并將報警信號發(fā)給顯示器裝置；進行報警。
文檔編號G05B13/00GK1800781SQ20041010187
公開日2006年7月12日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者易建強, 趙冬斌, 程金 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所