一种无舵船舶的自动化航向控制系统及方法
【专利摘要】本发明提出了一种无舵船舶的自动化航向控制系统，包括GPS罗经、船舶控制装置、螺旋桨推进装置和转速传感器；船舶控制装置包括人机操作界面，螺旋桨推进装置包括对称安装在船艉的左右螺旋桨、发动机和发动机控制器，GPS罗经测量的当前航速和当前航向角度分别与输入人机操作界面的目标航速和目标航向角度运算后得到目标控制转速，船舶控制装置对转速传感器测量的螺旋桨的实际转速与目标控制转速进行运算，并通过发动机控制器控制发动机来调整螺旋桨的转速平方差。本发明还涉及一种无舵船舶的自动化航向控制方法。实施本发明的无舵船舶的自动化航向控制系统及方法，具有以下有益效果：系统结构简单、技术要求较低、成本较低、容易推广应用。
【专利说明】一种无舵船舶的自动化航向控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶领域，特别涉及一种无舵船舶的自动化航向控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]船舶一般采用舵机调节航向，借助螺旋桨式或喷射式推进系统控制航速，其是船舶控制的核心组成部分，两者的性能直接影响船舶航行的操作性、精确性、安全性和经济性，也是航迹跟踪、动力定位和自动避碰等问题的基础。螺旋桨式推进系统与喷射式相比，具有功率大、造价低廉等特点，长期以来被广泛使用。当船舶具有一定行驶速度时，舵机及其操舵系统通过改变舵叶摆动状况来达到控制航向的效果。当采用舵机转向时，船舶转向半径大，航向调整时间较长，船舶阻力增加。
[0003]为了提高船舶控制性能，目前有研究人员提出了吊舱式全回转螺旋桨推进系统和回转双桨电力推进系统。此类系统通过控制螺旋桨的旋转速度产生推力，并利用不同回转螺旋桨的回转角度差产生舵效，从而达到替代舵机及其操舵系统的目的。该航向控制方法可降低船舶航行速度对舵效控制的影响，其回转半径小，转向调整时间较短。但系统结构复杂、技术要求高、成本较高，难以推广应用。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述系统结构复杂、技术要求高、造价昂贵、难以推广应用的缺陷，提供一种系统结构简单、技术要求较低、成本较低、容易推广应用的无舵船舶的自动化航向控制系统及方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种无舵船舶的自动化航向控制系统，包括GPS罗经、船舶控制装置、螺旋桨推进装置和转速传感器；所述船舶控制装置包括人机操作界面，所述螺旋桨推进装置包括对称安装在船艉的左右螺旋桨、发动机和发动机控制器，所述左右发动机分别与对应的所述螺旋桨和发动机控制器连接，所述左右螺旋桨还分别与对应的所述转速传感器连接，所述GPS罗经测量的当前航速和当前航向角度分别与输入所述人机操作界面的目标航速和目标航向角度进行运算后得到所述左右螺旋桨的目标控制转速，所述船舶控制装置对所述转速传感器测量的所述左右螺旋桨的实际转速分别与其对应的所述目标控制转速进行运算，所述发动机控制器依据其运算结果来控制对应的所述发动机，并通过控制所述左右螺旋桨的转速平方差来控制所述无舵船舶的航向。
[0006]在本发明所述的无舵船舶的自动化航向控制系统中，所述船舶控制装置还包括与所述人机操作界面连接、用于对所述目标航速和当前航速进行运算并得到初始转速的第一PID运算单元。
[0007]在本发明所述的无舵船舶的自动化航向控制系统中，所述船舶控制装置还包括与所述人机操作界面连接、用于对所述目标航向角度和当前航向角度进行运算并得到所述左右螺旋桨的转速平方差的第二 PID运算单元。[0008]在本发明所述的无舵船舶的自动化航向控制系统中，所述船舶控制装置还包括分别与所述第一 PID运算单元和第二 PID运算单元连接、用于对所述初始转速和转速平方差进行运算分配并得到所述左右螺旋桨的目标控制转速的转速运算分配单元。
[0009]在本发明所述的无舵船舶的自动化航向控制系统中，所述船舶控制装置还包括与所述转速运算分配单元连接、用于对所述左螺旋桨的目标控制转速与其实际转速进行运算的第三PID运算单元。
[0010]在本发明所述的无舵船舶的自动化航向控制系统中，所述船舶控制装置还包括与所述转速运算分配单元连接、用于对所述右螺旋桨的目标控制转速与其实际转速进行运算的第四PID运算单元。
[0011]本发明还涉及一种无舵船舶的自动化航向控制的方法，包括如下步骤:
[0012]A)分别输入无舵船舶的目标航速和目标航向角度；
[0013]B)测量所述无舵船舶的当前航速，对所述无舵船舶的当前航速与所述目标航速进行运算得到所述左右螺旋桨的初始转速；
[0014]C)测量所述无舵船舶的当前航向角度，对所述当前航向角度与所述目标航向角度进行运算得到所述左右螺旋桨的转速平方差；
[0015]D)依据所述左右螺旋桨的初始转速和转速平方差分别得到所述左右螺旋桨的目标控制转速；
[0016]E)分别测量所述左右螺旋桨的实际转速，并分别计算所述左右螺旋桨的转速偏差;
[0017]F)依据所述转速偏差通过发送控制指令调整所述左右螺旋桨的转速。
[0018]在本发明所述的无舵船舶的自动化航向控制的方法中，给定所述左右螺旋桨的初始转速r、所述左右螺旋桨的转速平方差A、所述左右螺旋桨的转速差Ar、所述无舵船舶的航向偏差值A 0、最大航向偏差角度emax、低转速L、高转速H、所述左右螺旋桨的最大转速rmax ;所述步骤D)进一步包括:
[0019]Dl)由 A 和 r 计算 Ar=A/2r;
[0020]D2)判断是否满足A0 ( 9_￡，如是，计算1=1-|八1'|/2、11=1+|八1'|/2,执行步骤
03);否则，令1^0，则到八1'|，执行步骤04);其中，八0 = 0「0⑴，Q1为所述无舵船舶的目标航向角度，0 (t)为所述无舵船舶的当前航向角度；
[0021]D3)判断是否满足L〈0，如是，令L=0，则H=I Ar),执行步骤D4);否则，执行步骤D5)；
[0022]D4)判断是否满足H>rmax，如是，令H=rmax，执行步骤D7);否则，执行步骤D7)；
[0023]D5)判断是否满足H>rmax，如是，令H=rmax，则L=rmax_ | A r |，执行步骤D6);否则，执行步骤D7)；
[0024]D6)判断是否满足L〈0，如是，令L=O并执行步骤D7);否则，执行步骤D7)；
[0025]D7)判断是否满足Ar〈0,如是,令!T1=L, r2=H,执行步骤D8);否则,令IT1=H, r2=L,执行步骤D8)；
[0026]D8)转速分配计算结束。
[0027]实施本发明的无舵船舶的自动化航向控制系统及方法，具有以下有益效果:由于使用GPS罗经、船舶控制装置、螺旋桨推进装置和转速传感器；船舶控制装置包括人机操作界面，螺旋桨推进装置包括对称安装在船艉的左右螺旋桨、发动机和发动机控制器，GPS罗经测量的当前航速和当前航向角度分别与输入人机操作界面的目标航速和目标航向角度进行运算后得到左右螺旋桨的目标控制转速，船舶控制装置对左右转速传感器测量的左右螺旋桨的实际转速分别与对应的目标控制转速进行运算，发动机控制器依据其运算结果来控制对应的发动机，并通过控制左右螺旋桨的转速平方差来控制无舵船舶的航向；同时由于省去舵机，所以其系统结构简单、技术要求较低、成本较低、容易推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为本发明无舵船舶的自动化航向控制系统及方法一个实施例中系统的结构示意图；
[0030]图2为所述实施例中系统的总体示意图；
[0031]图3是所述实施例中方法的流程图；
[0032]图4是所述实施例中方法的具体线程图；
[0033]图5是所述实施例中转速分配的流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]在本发明舵船舶的自动化航向控制系统及方法实施例中，其舵船舶的自动化航向控制系统的结构示意图如图1所示。图2是本实施例中系统的总体示意图。如图1和图2所示，该无舵船舶的自动化航向控制系统包括GPS罗经、船舶控制装置、螺旋桨推进装置和转速传感器；船舶控制装置包括人机操作界面，螺旋桨推进装置包括对称安装在船艉的左右螺旋桨、发动机和发动机控制器，左右发动机分别与对应的螺旋桨和发动机控制器连接，左右螺旋桨还分别与对应的转速传感器连接，左右螺旋桨距船舶艏艉线的距离为h。船舶控制装置用于接收GPS罗经和转速传感器的测量结果、PID运算以及向发动机控制器输入控制指令，其人机操作界面用于输入目标参数和输出监控结果。转速传感器用于测量螺旋桨的实际转速。GPS罗经测量的当前航速和当前航向角度分别与输入人机操作界面的目标航速和目标航向角度进行运算，然后分别得到左右螺旋桨的目标控制转速，船舶控制装置对转速传感器测量的左右螺旋桨的实际转速分别与其对应的目标控制转速进行运算，发动机控制器依据其运算结果来控制对应的发动机，并通过控制左右螺旋桨的转速平方差来控制无舵船舶的航向。本实施例中，通过控制左右螺旋桨的转速和及其平方差A(A=r(ll2-r(l22)，产生实际舵效，实现船舶的航向控制。此外，船舶航速通过航速比例积分微分控制器(Proportion Integration Differentiation, PID)控制，可以不受航向控制的影响，也即可以消除航向控制对航速控制的影响。由于通过船舶底部两翼螺旋桨的转速差控制航向，所以系统简单，容易实现高精确控制；同时由于省去舵机，船舶转向半径小，转向时间短，航向阻力小，所以其结构及操作简单，可靠性较高，且成本较低。
[0036]本实施例中，为了方便描述，将对称安装在船艉的左右螺旋桨、发动机和发动机控制器分别进行命名，将位于船艉左侧的螺旋桨、发动机和发动机控制器分别称为第一螺旋桨、第一发动机和第一发动机控制器；将位于船艉右侧的螺旋桨、发动机和发动机控制器分别称为第二螺旋桨、第二发动机和第二发动机控制器。
[0037]本实施例中，船舶控制装置还包括第一 PID运算单元，第一 PID运算单元与人机操作界面连接、用于对目标航速V和当前航速v(t)进行运算并得到初始转速r。船舶控制装置还包括第二 PID运算单元，第二 PID运算单元与人机操作界面连接、用于对目标航向角度ejP当前航向角度0 (t)进行运算并得到左右螺旋桨的转速平方差A。船舶控制装置还包括分别与所述第一 PID运算单元和第二 PID运算单元连接、用于对所述初始转速和转速平方差进行运算分配并得到所述左右螺旋桨的目标控制转速的转速运算分配单元。船舶控制装置还包括转速运算分配单元，转速运算分配单元分别与第一 PID运算单元和第二 PID运算单元连接、用于对初始转速r和转速平方差A进行运算分配并得到左右螺旋桨的目标控制转速A和r2。船舶控制装置还包括第三PID运算单元，第三PID运算单元与转速运算分配单元连接、用于对左螺旋桨的目标控制转速^与其实际转速r/进行运算。船舶控制装置还包括第四PID运算单元，第四PID运算单元与转速运算分配单元连接、用于对右螺旋桨的目标控制转速1~2与实际转速r2’进行运算。
[0038]本实施例中，无舵船舶航向控制原理如下:
[0039]由船舶螺旋桨推进力公式:F=krQ2，其中k和rQ分别为推力系数和螺旋桨转速。当左右螺旋桨选为相同产品时，其推力系数相同，则左右螺旋桨产生的推力与转速之间的关系满足=F1=Icrtll2和F2=Icrtl22,其中左螺旋桨转速为，右螺旋桨转速为化。当左右螺旋桨的转速不一致时，会产生转船力矩N，满足计算公式(I )，可见转船力矩与左右螺旋桨的转速平方差A成正比。
[0040]
【权利要求】
1.一种无舵船舶的自动化航向控制系统，其特征在于，包括GPS罗经、船舶控制装置、螺旋桨推进装置和转速传感器；所述船舶控制装置包括人机操作界面，所述螺旋桨推进装置包括对称安装在船艉的左右螺旋桨、发动机和发动机控制器，所述左右发动机分别与对应的所述螺旋桨和发动机控制器连接，所述左右螺旋桨还分别与对应的所述转速传感器连接，所述GPS罗经测量的当前航速和当前航向角度分别与输入所述人机操作界面的目标航速和目标航向角度进行运算后得到所述左右螺旋桨的目标控制转速，所述船舶控制装置对所述转速传感器测量的所述左右螺旋桨的实际转速分别与其对应的所述目标控制转速进行运算，所述发动机控制器依据其运算结果来控制对应的所述发动机，并通过控制所述左右螺旋桨的转速平方差来控制所述无舵船舶的航向。
2.根据权利要求1所述的无舵船舶的自动化航向控制系统，其特征在于，所述船舶控制装置还包括与所述人机操作界面连接、用于对所述目标航速和当前航速进行运算并得到初始转速的第一 PID运算单元。
3.根据权利要求2所述的无舵船舶的自动化航向控制系统，其特征在于，所述船舶控制装置还包括与所述人机操作界面连接、用于对所述目标航向角度和当前航向角度进行运算并得到所述左右螺旋桨的转速平方差的第二 PID运算单元。
4.根据权利要求3所述的无舵船舶的自动化航向控制系统，其特征在于，所述船舶控制装置还包括分别与所述第一 PID运算单元和第二 PID运算单元连接、用于对所述初始转速和转速平方差进行运算分配并得到所述左右螺旋桨的目标控制转速的转速运算分配单元。
5.根据权利要求4所述的无舵船舶的自动化航向控制系统，其特征在于，所述船舶控制装置还包括与所述转速运算分配单元连接、用于对所述左螺旋桨的目标控制转速与其实际转速进行运算的第三PID运算单元。
6.根据权利要求5所述的无舵船舶的自动化航向控制系统，其特征在于，所述船舶控制装置还包括与所述转速运算分配单元连接、用于对所述右螺旋桨的目标控制转速与其实际转速进行运算的第四PID运算单元。
7.一种无舵船舶的自动化航向控制的方法，其特征在于，包括如下步骤: A)分别输入无舵船舶的目标航速和目标航向角度； B)测量所述无舵船舶的当前航速，对所述无舵船舶的当前航速与所述目标航速进行运算得到所述左右螺旋桨的初始转速； C)测量所述无舵船舶的当前航向角度，对所述当前航向角度与所述目标航向角度进行运算得到所述左右螺旋桨的转速平方差； D)依据所述左右螺旋桨的初始转速和转速平方差分别得到所述左右螺旋桨的目标控制转速； E)分别测量所述左右螺旋桨的实际转速，并分别计算所述左右螺旋桨的转速偏差； F)依据所述转速偏差通过发送控制指令调整所述左右螺旋桨的转速。
8.根据权利要求7所述的无舵船舶的自动化航向控制的方法，其特征在于，给定所述左右螺旋桨的初始转速r、所述左右螺旋桨的转速平方差A、所述左右螺旋桨的转速差Ar、所述无舵船舶的航向偏差值A 0、最大航向偏差角度emax、低转速L、高转速H、所述左右螺旋桨的最大转速;所述步骤D)进一步包括:Dl)由 A 和 r 计算 A r=A/2r; D2)判断是否满足A 0≤9 max，如是，计算L=r-| Ar|/2、H=r+| Ar |/2,执行步骤D3);否则，令L=OJUH=I Ar|，执行步骤D4);其中，A 0 = 0「0 (t)，Q1S所述无舵船舶的目标航向角度，9 (t)为所述无舵船舶的当前航向角度； D3)判断是否满足L〈0，如是，令L=OJUH=I Ar|，执行步骤D4);否则，执行步骤D5)； D4)判断是否满足H>rmax，如是，令H=rmax，执行步骤D7);否则，执行步骤D7)； D5)判断是否满足H>rmax，如是，令H=rmax，则L=rmax-1 A r |，执行步骤D6);否则，执行步骤 D7)； D6)判断是否满足L〈0，如是，令L=O并执行步骤D7);否则，执行步骤D7)； D7)判断是否满足Ar〈0，如是，令!T1=L, r2=H,执行步骤D8);否则，令IT1=H, r2=L,执行步骤D8)； D8)转速分配 计算结 束。
【文档编号】G05D1/02GK103645734SQ201310638691
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】孟祥宝, 谢秋波, 黄家怿, 陈万云, 刘海峰, 潘明, 陆开路, 卢嘉威 申请人:广州市健坤网络科技发展有限公司, 广东省现代农业装备研究所