专利名称：一种航迹自动舵控制系统及其方法
技术领域：
本发明涉及船舶自动控制技术领域，特别是一种航迹自动舵控制系统及其方法。
背景技术：
航迹自动舵能够自动并准确实现船舶对设定航线的跟踪和保持，保证船舶航行的安全性和经济性。航迹控制主要包括航迹偏差控制和转向控制。传统的PID舵和自适应舵的设计仅仅基于对航向的跟踪和保持控制，无法实现航迹控制功能。
船舶操纵具有非线性慢时变特性，船舶的动态特性与船况、航速有着密切关系。此外，船舶运动还受到各种随机干扰(如风、浪、流)的影响。因而航迹自动舵要求能够实现精确的航迹控制，并具有很好的适应船舶动态特性变化和海况的能力。
发明内容
本发明提出一种航迹自动舵控制系统及其方法。系统采用装置化结构，首先根据下一转向点信息(经度、纬度、设定航向)及航迹偏差值确定航向角补偿值，通过改变航向来消除航迹偏差，并使船舶平滑无超调地转向到设定航线。对各种海况(如风、浪、流)建立相应的偏航效应补偿装置，以抵消风流等扰动对航迹的影响，保证船舶在海况扰动情况下还能够克服外力作用而沿设定航线航行。然后通过虚拟目标航向装置确定出虚拟目标航向，并通过航向控制装置求出跟踪虚拟目标航向所需的舵机舵角控制指令。而且设置舵角指令自调节装置，根据船舶航速和海流速引起的船舶动态特性变化，对舵角控制指令进行实时补偿。最后控制舵机舵角跟踪舵角控制指令，实现对船舶动态特性变化和各种海况具有良好的自适应能力的船舶航迹控制。以有效地解决船舶自动航行时的航迹控制问题。
控制系统可以分为五部分。
第一部分由航迹偏差装置M14和相应的航向角补偿装置M15组成，主要实现航迹偏差控制和转向控制功能。航迹偏差装置M14包括GPS定位设备和嵌入式控制器，航向角补偿装置M15由嵌入式控制器实现。航迹偏差装置M14装置根据实际船位S13，然后与设定航线S12相比较，求出船舶即时的航迹偏差，并与允许偏差带相比，当船舶在允许偏差带内运行时，航迹控制装置通过航向保持方式使船舶在允许的偏差带内航行；当船舶超出允许偏差带，航迹控制装置对航向进行修正，通过变航向控制使船舶相对于设定航线S12的偏差趋向于零，在转向点S14转向时，航迹控制装置根据船舶速度和转向角度确定转向起始点，调整航向角补偿值，使船舶平滑无超调地转向到设定航线S12。
第二部分由偏航效应装置M1、M2、M3、和航向角补偿装置组成，主要实现对各种海况的适应控制。这一部分的各个功能装置由嵌入式控制器实现。偏航效应装置M1、M2、M3和航向角补偿装置M4通过分析各种海况(风向S1、风速S2、海浪S4)和船况S3对船舶操纵动态特性的影响，求出针对海况扰动的航向角补偿值。
第三部分由虚拟目标航向装置M5、航向偏差装置M6和航向控制装置M7组成，主要确定舵角控制指令。虚拟目标航向装置M5由嵌入式控制器实现；航向偏差装置M6包括罗经和嵌入式控制器；航向控制装置M7由嵌入式控制器实现。虚拟目标航向装置M5在设定航向S6的基础上，综合航向角补偿装置M4给出的针对海况扰动的航向角补偿值及航向角补偿装置M15给出的针对航迹偏差的航向角补偿值，计算出最佳的虚拟目标航向。航向偏差装置M6、航向控制装置M7根据实际航向S10与虚拟目标航向的偏差，实时决策出舵机舵角控制指令。
第四部分由舵角指令自调节装置M8、船速计算装置M9和操舵装置M10组成，主要实现对船舶动态特性变化的自适应控制。舵角指令自调节装置M8和船速计算装置M9由嵌入式控制器实现，操舵装置M10包括液压传动、舵角检测等设备。舵角指令自调节装置M8根据船速计算装置M9的输出值变化，动态地调节舵角控制指令，而操舵装置M10则控制实际舵角，使实际舵角跟踪舵角控制指令，完成对虚拟目标航向的跟踪控制，实现船舶沿设定航线的航行。
第五部分由显示器装置M13和安全信号箱装置M12组成，实现船位S13、舵角S9、船舶航向S10、以及各种报警信号S11等的显示和报警。
本发明具有以下特点(1)控制系统的航迹偏差装置和航向角补偿装置，可以实现对设定航线的精确跟踪和保持；(2)控制系统设有各种海况偏航效应分析功能装置，对各种海况进行动态补偿，从而能保证精确的航向跟踪和保持控制；(3)控制系统具有舵角指令自调节功能装置，从而对各种海况和船舶动态特性变化具有良好的自适应能力；(4)航向控制装置可以采用现有的控制方法，也可以采用智能控制方法。
图1是航迹自动舵控制系统结构图。
图2是船舶自动舵航迹控制系统流程图。
具体实施例方式
以下结合附图对航迹自动舵控制系统的主要装置做进一步的描述。
图2中，功能装置包括偏航效应装置M1，偏航效应装置M2，偏航效应装置M3，航向角补偿装置M4，虚拟目标航向装置M5，航向偏差装置M6，航向控制装置M7，舵角指令自调节装置M8，船速计算装置M9，操舵装置M10，船舶装置M11，安全信号箱装置M12，显示器装置M13，航迹偏差装置M14，航向角补偿装置M15。
信号S1表示风向，S2表示风速，S3表示船况，S4表示海浪，S5表示海流向，S6表示目标航向，S7表示航速，S8表示海流速，S9表示舵角，S10表示实际航向，S11表示报警信号，S12表示设定的目标航线，S13表示实际船位，S14表示下一转向点信息。
航迹自动舵控制系统的方法，其步骤如下(1)航迹偏差装置M14根据船桥系统提供的或者人工设定的目标航线S12和从船舶装置M11反馈回来的实际船位S13，实时求出航迹偏差值；(2)航向角补偿装置M15根据航迹偏差装置M14求出的航迹偏差值、及船桥系统提供的下一转向点信息S14(经度、纬度、设定航向)，确定补偿航迹偏差所需的航向角补偿值，通过改变航向来消除航迹偏差，并实现转向控制；(3)偏航效应装置M1根据通过船桥系统或者人工输入的风向S1、风速S2、船况S3的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；(4)偏航效应装置M2根据通过船桥系统或者人工输入的海浪S4的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；(5)偏航效应装置M3根据通过船桥系统或者人工输入的海流向S5，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；(6)航向角补偿装置M4综合偏航效应装置M1、偏航效应装置M2、及偏航效应装置M3输出的补偿指令，实时导出补偿干扰所需的航向角补偿值；(7)虚拟目标航向装置M5针对船桥系统提供的或者人工设定的目标航向S6，根据航向角补偿装置M4给出的针对海况扰动的航向角补偿值及航向角补偿装置M15给出的针对航迹偏差的航向角补偿值，确定当前的虚拟目标航向指令；(8)航向偏差装置M6比较从船舶装置M11反馈回来的实际航向角S10和从虚拟目标航向装置M5给出的虚拟目标航向指令，求出航向偏差值；(9)航向控制装置M7根据航向偏差装置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，决策出最佳的舵机舵角控制指令，并输出到舵角指令自调节装置M8；(10)船速计算装置M9根据通过船桥系统或者人工输入的航速S7和海流速S8的信息，计算船舶的实际航速；(11)舵角指令自调节装置M8根据船速的变化对船舶动态特性的影响，结合船速计算装置M9计算的实际船速，对航向控制装置M7推导的舵角控制指令进行调节；(12)操舵装置M10以经过舵角指令自调节装置M8调节的舵角控制指令为目标舵角，进行舵角跟踪控制，使实际舵角S9达到目标舵角，通过改变舵角，实现对船舶装置M11的实际航向角S10的控制，同时，输出实际舵角值S9给显示器装置M13，根据需要，还可以作为上传信号，将实际舵角值S9上传给船桥系统；(13)船舶装置M11代表整个船舶系统的船舶装置M11的航迹控制是通过操舵装置M10实现的，通过改变操舵装置M10的舵角值，使船舶装置M11的实际航向角S10跟踪虚拟目标航向装置M5给出的虚拟目标航向指令，实现船舶装置M11沿目标航线S12航行；(14)安全信号箱装置M12对系统进行故障检测，并将各种报警信号S11发给显示器装置M13；(15)显示器装置M13接收来自操舵装置M10的舵角信号S9、船舶装置M11的航向角信号S10和实际船位信号S13、安全信号箱装置M12的各种报警信号S11、及其他来自船桥系统的信息，在显示器上实时显示更新这些信息，并在发生故障时进行报警。
权利要求
1.一种航迹自动舵控制系统，包括五个部分，第一部分由航迹偏差装置和相应的航向角补偿装置组成，主要实现航迹偏差控制和转向控制；航迹偏差装置包括GPS定位设备和嵌入式控制器，航向角补偿装置由嵌入式控制器实现；第二部分由偏航效应和相应的航向角补偿装置组成，主要实现对各种海况的适应控制；这一部分的各个功能装置由嵌入式控制器实现；第三部分由虚拟目标航向装置、航向偏差装置和航向控制装置组成，主要确定舵角控制指令；虚拟目标航向装置由嵌入式控制器实现；航向偏差装置包括罗经和嵌入式控制器；航向控制装置由嵌入式控制器实现；第四部分由舵角指令自调节装置、船速计算装置和操舵装置组成，主要实现对船舶动态特性变化的自适应控制；舵角指令自调节装置和船速计算装置由嵌入式控制器实现，操舵装置包括液压传动、舵角检测设备；第五部分由显示器装置和安全信号箱装置组成，实现船位、舵角、船舶航向、以及各种报警信号的显示和报警。
2.根据权利要求1的航迹自动舵控制系统，其特征在于，航迹偏差装置装置根据实际船位，然后与设定航线相比较，求出船舶即时的航迹偏差，并与允许偏差带相比较，当船舶在允许偏差带内运行时，航迹控制装置通过航向保持方式使船舶在允许的偏差带内航行；当船舶超出允许偏差带，航迹控制装置对航向进行修正，通过变航向控制使船舶相对于设定航线S12的偏差趋向于零，在转向点转向时，航迹控制装置根据船舶速度和转向角度确定转向起始点，调整航向角补偿值，使船舶平滑无超调地转向到设定航线S12。
3.根据权利要求1的航迹自动舵控制系统，其特征在于，偏航效应装置和航向角补偿装置通过分析各种海况和船况，对船舶操纵动态特性的影响，求出针对海况扰动的航向角补偿值。
4.根据权利要求1的航迹自动舵控制系统，其特征在于，虚拟目标航向装置在设定航向的基础上，综合航向角补偿装置给出的针对海况扰动的航向角补偿值及航向角补偿装置给出的针对航迹偏差的航向角补偿值，计算出最佳的虚拟目标航向，航向偏差装置、航向控制装置根据实际航向与虚拟目标航向的偏差，实时决策出舵机舵角控制指令。
5.根据权利要求1的航迹自动舵控制系统，其特征在于，舵角指令自调节装置根据船速计算装置的输出值变化，动态地调节舵角控制指令，而操舵装置则控制实际舵角，使实际舵角跟踪舵角控制指令，完成对虚拟目标航向的跟踪控制，实现船舶沿设定航线的航行。
6.一种航迹自动舵控制系统的方法，其步骤如下(1)航迹偏差装置M14根据船桥系统提供的或者人工设定的目标航线S12和从船舶装置M11反馈回来的实际船位S13，实时求出航迹偏差值；(2)航向角补偿装置M15根据航迹偏差装置M14求出的航迹偏差值、及船桥系统提供的下一转向点信息S14，确定补偿航迹偏差所需的航向角补偿值，通过改变航向来消除航迹偏差，并实现转向控制；(3)偏航效应装置M1根据通过船桥系统或者人工输入的风向S1、风速S2、船况S3的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；(4)偏航效应装置M2根据通过船桥系统或者人工输入的海浪S4的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；(5)偏航效应装置M3根据通过船桥系统或者人工输入的海流向S5，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；(6)航向角补偿装置M4综合偏航效应装置M1、偏航效应装置M2、及偏航效应装置M3输出的补偿指令，实时导出补偿干扰所需的航向角补偿值；(7)虚拟目标航向装置M5针对船桥系统提供的或者人工设定的目标航向S6，根据航向角补偿装置M4给出的针对海况扰动的航向角补偿值及航向角补偿装置M15给出的针对航迹偏差的航向角补偿值，确定当前的虚拟目标航向指令；(8)航向偏差装置M6比较从船舶装置M11反馈回来的实际航向角S10和从虚拟目标航向装置M5给出的虚拟目标航向指令，求出航向偏差值；(9)航向控制装置M7根据航向偏差装置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，决策出最佳的舵机舵角控制指令，并输出到舵角指令自调节装置M8；(10)船速计算装置M9根据通过船桥系统或者人工输入的航速S7和海流速S8的信息，计算船舶的实际航速；(11)舵角指令自调节装置M8根据船速的变化对船舶动态特性的影响，结合船速计算装置M9计算的实际船速，对航向控制装置M7推导的舵角控制指令进行调节；(12)操舵装置M10以经过舵角指令自调节装置M8调节的舵角控制指令为目标舵角，进行舵角跟踪控制，使实际舵角S9达到目标舵角，通过改变舵角，实现对船舶装置M11的实际航向角S10的控制，同时，输出实际舵角值S9给显示器装置M13，根据需要，还可以作为上传信号，将实际舵角值S9上传给船桥系统；(13)船舶装置M11代表整个船舶系统的船舶装置M11的航迹控制是通过操舵装置M10实现的，通过改变操舵装置M10的舵角值，使船舶装置M11的实际航向角S10跟踪虚拟目标航向装置M5给出的虚拟目标航向指令，实现船舶装置M11沿目标航线S12航行；(14)安全信号箱装置M12对系统进行故障检测，并将各种报警信号S11发给显示器装置M13；(15)显示器装置M13接收来自操舵装置M10的舵角信号S9、船舶装置M11的航向角信号S10和实际船位信号S13、安全信号箱装置M12的各种报警信号S11、及其他来自船桥系统的信息，在显示器上实时显示更新这些信息，并在发生故障时进行报警。
全文摘要
本发明涉及船舶自动控制技术领域，特别是一种航迹自动舵控制系统及其方法。系统包括五个部分第一部分航迹偏差装置和相应的航向角补偿装置；第二部分偏航效应和相应的航向角补偿装置；第三部分虚拟目标航向装置、航向偏差装置和航向控制装置；第四部分舵角指令自调节装置船速计算装置和操舵装置；第五部分显示器装置和安全信号箱装置；方法包括实时求出航迹偏差值；实现转向控制；给出航向角的补偿指令；确定当前的虚拟目标航向指令；求出航向偏差值；输出到舵角指令自调节装置；计算船舶的实际航速；推导的舵角控制指令进行调节；实际舵角值上传给船桥系统；实现船舶装置沿目标航线航行；并将报警信号发给显示器装置；进行报警。
文档编号G05B13/00GK1800781SQ20041010187
公开日2006年7月12日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年12月30日
发明者易建强, 赵冬斌, 程金 申请人:中国科学院自动化研究所