一种船舶自主航行控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种船舶自主航行控制系统及控制方法，属于船舶自动控制技术领 域。
【背景技术】
[0002] 对于海上或内河航行的水面船舶，常常需要按照预设的航迹自主航行，以完成特 定的航行任务，如水面船舶需要沿海岸线自主航行，执行地形勘查、扫雷、水质取样、视景监 控等任务;又如靶船需要按指定航迹自主航行，模拟具有运动特性的水面目标，供被试导弹 打靶使用。这类任务均需要船舶具有无人值守自主航行能力。
[0003] 航迹自动舵是水面船舶航迹跟踪控制的一种理论解决方案，用以实现对设定航线 的跟踪和保持。这种航迹控制方案主要包括航迹偏差控制和船向控制。航向控制用以控制 船舶的航向与期望航迹平行，航迹偏差控制则在航向控制的基础上使侧偏距逐渐收敛为 零，从而控制船舶的实际航迹收敛于期望航迹上。这种控制方案需要给出连续的期望航迹， 然而在实际的工程应用中，要规划出连续的期望航迹需花费很大的人力物力。尤其面对航 迹多变的任务控制需要，当期望航迹发生变化时，均需要重新进行航迹规划，极大了限制了 航迹自动舵的工程应用。连续的期望航迹仅仅是控制算法的解算需要，从实际应用的角度 出发，控制船舶驶出一定形状的期望航迹，只需要期望航迹的一些关键点即可。
[0004] 相对于航迹自动舵，航向自动舵是实现水面船舶自主航行控制的一种折衷手段， 并得到了广泛的工程应用，主要用以实现水面船舶巡航速度下的航向保持控制，从而减小 船舶驾驶员操舵的工作强度。航向自动舵无法实现船舶的航迹跟踪控制，即使实现船舶的 航向保持控制，也时时需要人工干预，远非真正意义的船舶自主航行控制措施
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种船舶自主航行控 制系统及控制方法，只需要利用期望航迹的一系列关键离散点，即可能够实现船舶的自主 航迹跟踪控制需要，无需人工干预，可广泛用以解决于无人值守环境下的船舶自主航行控 制问题，尤其适用于水面靶场、高危水域等场合的船舶自主航行需要，具有很强的工程操作 性和实施性。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种船舶自主航行控制系统，包括航行控制计 算机、航向航速控制板、发动机、舵角执行机构、GPS及航姿测量设备、舵以及舵角传感器；
[0007] 所述航行控制计算机，通过网络接收航速指令和离散期望航迹点序列，通过RS232 串口接收GPS及航姿测量设备发送的船舶位置及船舶姿态信息，并进行航向控制回路解算 和航速控制回路解算，以数字方式通过PCI总线分别发送舵角指令和油门指令至航向航速 控制板；
[0008] 所述航速控制板，通过PCI总线接收航行控制计算机发出的航向指令和油门指令， 通过RS422串口接收舵角传感器发送的舵角信息，解算后通过控制总线输出油门模拟电压 和启动指令至发动机，并发送舵角执行指令至舵角执行机构，由舵角执行机构控制舵的方 向。
[0009] 进一步，航行控制计算机为PC104控制板。
[0010] 进一步，所述航向航速控制板为PCI总线控制板。
[0011] -种船舶自主航行控制方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤一，航行控制计算机接收到离散航迹点序列P[ i ]后，对离散航迹点序列P[ i ] 进行规划和选取，初始时，选取i = l;
[0013] 步骤二，更新当前目标点pd(Xd，yd)=p[i]，其中Xd为当前目标点的经度， yd为当前 目标点的炜度；
[0014] 步骤三，判断当前目标点是否为离散航迹点序列P[ i ]的最后一个目标航迹点：若 是最后一个目标航迹点，将结束自主航行控制;若不是最后一个目标航迹点，则计算船舶当 前位置点与当前目标点之间的距离Rt;
[0015] 步骤四，若Rt < R，执行i = i+l，并回到步骤二;若Rt>R，需要计算船舶的期望航向 角加，并进入下一步骤;其中，R为转弯半径；
[0016] 步骤五，通过GPS及航姿测量设备获取船舶的航向角信息，通过航向角与期望航向 角加之间的偏差，计算出舵角控制回路的期望舵角；
[0017] 步骤六，通过舵角传感器获取船舶的舵角信息，计算当前舵角值与步骤五计算得 到的期望舵角之间的偏差，再利用船舶上的舵角执行机构调整船舶舵的方位。
[0018] 进一步，所述步骤四中，期望航向角的计算公式为：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，乂为期望航向角恥的过渡计算变量，还需要根据船舶当前位置点与当前目 标点的相对位置关系进行象限转换;xd为当前目标点的经度，yd为当前目标点的炜度，xt为 当前位置点的经度，yt为当前位置点的炜度，c为船舶当前位置点、当前目标点与地心所构 成的地心角，COS (C)为其余弦值；
[0022] 以船舶当前位置点为原点，建立直角坐标系，其中正北方为纵轴，与纵轴垂直的正 东方为横轴。
[0023] 若当前目标点位于该直角坐标系的第一象限，则仏二以；
[0024] 若当前目标点位于该直角坐标系的第二象限，则R =360 + ^4
[0025] 若当前目标点位于该直角坐标系的第三四象限，则& =180-%。
[0026] 进一步，当步骤一至步骤六执行完毕后，船舶的位置和姿态随之发送变化，船舶当 前位置信息、船舶当前航向角信息和船舶当前舵角信息自动更新。
[0027] 本发明所达到的有益技术效果:本发明正是针对航向自动舵的功能缺失性和航迹 自动舵的使用局限性，避免跟踪连续的期望航迹，提出了一种新的船舶自主航行控制方法。 该方法只需要利用期望航迹的一系列关键离散点，即可能够实现船舶的自主航迹跟踪控制 需要，无需人工干预，可广泛用以解决于无人值守环境下的船舶自主航行控制问题，尤其适 用于水面靶场、高危水域等场合的船舶自主航行需要。该方法在功能上弥补了航向自动舵 的缺陷，逼近航迹自动舵的跟踪控制性能，但不需要连续的期望航迹作为跟踪输入。本发明 所提出的方法与常规的航迹跟踪控制方法相比，具有很强的工程操作性和实施性，可广泛 用于解决船舶的自主航行控制需要。
【附图说明】
[0028] 图1本发明之船舶自主航行控制方法流程示意图；
[0029] 图2本发明之船舶自主航行控制系统组成框图；
[0030] 图3本发明之期望航向角计算方法原理图。
【具体实施方式】
[0031] 为了能更好的了解本发明的技术特征、技术内容及其达到的技术效果，现将本发 明的附图结合实施例进行更详细的说明。
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
[0033] 如图2所示，本发明提供一种船舶自主航行控制系统，包括航行控制计算机、航向 航速控制板、发动机、舵角执行机构、GPS及航姿测量设备、舵以及舵角传感器；
[0034] 所述航行控制计算机，通过网络接收航速指令和离散期望航迹点序列，通过RS232 串口接收GPS及航姿测量设备发送的船舶位置及船舶姿态信息，并进行航向控制回路解算 和航速控制回路解算，以数字方式通过PCI总线分别发送舵角指令和油门指令至航向航速 控制板；
[0035] 所述航速控制板，通过PCI总线接收航行控制计算机发出的航向指令和油门指令， 通过RS422串口接收舵角传感器发送的舵角信息，解算后通过控制总线输出油门模拟电压 和启动指令至发动机，并发送舵角执行指令至舵角执行机构，由舵角执行机构控制舵的方 向。
[0036]进一步，航行控制计算机为PC104控制板。
[0037] 进一步，所述航向航速控制板为PCI总线控制板。
[0038] 如图1所示，本发明提供一种船舶自主航行控制方法，包括以下步骤：<