CN109709877B - 一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统及方法。它采集船位信息、指令舵角、实际舵角、船体回转角速度及设定的迹向线和航线数据，根据船位信息和船体回转角速度获得最优航迹向状态量，根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号并驱动舵叶转动实现船舶的自动操纵控制。本发明实现了艏向信号缺失条件下的船舶自动操纵控制，降低了人工作业强度，大大提高了经济效益及船舶航行的安全性。
Description
技术领域
本发明属于船舶操纵控制技术领域，是针对船舶航行过程中艏向信号缺失的情况而提出的一种解决方法，具体涉及一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统及方法。
背景技术
船舶自动操纵控制现已成为船舶操纵控制的主要方式，其基本原理是在自动舵装备中利用各种导航设备传送来的船舶运动信息，通过相应的控制算法给出操舵控制信号，控制舵机适当转舵，进而使船舶按需要的航行计划航行，例如自动保持在给定的航向上航行即航向控制、自动沿着设定的航线航行即航迹控制等。其中船舶运动信息主要包括舵角信息、艏向信息和位置信息。而在自动控制时无论是航向控制还是航迹控制，都需要获得船舶的实际艏向信息，艏向信号的缺失会导致自动舵设备瘫痪，无法实现船舶的自动操纵控制。
在船舶航行过程中，自动舵设备中艏向信号的缺失是一种常见的故障情况。比如船上罗经等设备出现故障时，船舶操纵就会获取不到艏向信息；再比如一些近海作业的小型民用船舶从经济成本和作业海域考虑，在船舶建造时没有配备罗经设备，也就不会有艏向信号。船舶依靠现有的自动舵设备，在艏向信号缺失的情况下均无法完成自动操纵。
由于GPS和北斗等导航定位系统的成本较低，如今已经开始广泛应用于航海领域，几乎所有船舶都已经装配了导航定位系统。对于一些没有配备罗经等设备的小型渔船而言，其出海时虽然无法获取实际艏向信号，但驾驶人员能依靠航行经验，通过人工操控的方法，根据GPS获得每一时刻的船舶位置信息以及船位偏离航线的大小，通过适当转舵调整船的前进方向，可使船舶大致按计划航线航行。
但是上述操纵方式会明显增加人工作业的强度，而且由于人工控制的不精确性将使航程显著增加，油耗增多，通常只适合小型船舶在近海作业，不适合远距离的出海航行。目前很多渔船为提高经济效益，期望去远海水域进行捕渔作业，那么这种没有装配罗经设备的小型渔船，仅靠人工操纵的方式是无法实现远海航行的。当前一些大型货船的船舶自动化程度越来越高，船员数量越来越少，在船舶艏向信号缺失以后，自动舵设备瘫痪无法实现船舶自动操纵，只能依靠人工操纵的方式操控船舶，因为船员较少，将显著增大劳动作业强度，无法保证船舶操纵的精确性和安全性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统及方法，实现船舶在艏向信号缺失以后还能较精准地沿设定航线航行，减少无用的航行路程，使得油耗降低，航行效益和安全性大大提高。
本发明采用的技术方案是：一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，包括
舵轮，用于输出指令舵角至控制单元；
定位模块，用于获得实时船位信息并输出至控制单元；
舵角反馈单元，用于实时检测船体实际舵角和船体回转角速度并发送至控制单元；
控制单元，用于根据接收的船位信息和船体回转角速度确定最优航迹向状态量，用于根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号并输出至液压舵机；
液压舵机，用于根据接收的转舵指令信号驱动舵叶转动完成船舶操纵控制。
进一步地，所述控制单元包括用于对接收的信息进行处理并输出转舵控制信号的控制模块和用于对转舵控制信号进行处理形成转舵指令信号的驱动模块，所述控制模块包括第一单片机模块、电平转换电路、第一CAN通讯模块，所述驱动模块包括前置信号放大模块和磁隔离固态继电器，所述第一单片机模块的第一信号输入端通过电平转换电路连接定位模块的输出端，第一单片机模块的第二信号输入端和第三信号输入端分别通过第一CAN通讯模块连接舵轮的输出端和舵角反馈单元的信号输出端，第一单片机模块的控制信号输出端连接前置信号放大模块的输入端，前置信号放大模块的输出端连接磁隔离固态继电器的输入端，磁隔离固态继电器的输出端连接液压舵机的信号输入端。
进一步地，所述舵角反馈单元包括用于检测实际舵角信息的舵叶角度检测模块、用于检测船体回转角速度的角速度检测模块、运算放大模块、第二单片机模块和第二CAN通讯模块，所述舵叶角度检测模块和角速度检测模块的输出端分别通过运算放大模块电连接第二单片机模块的输入端，所述第二单片机模块输出端通过第二CAN通讯模块电连接控制单元的信号输入端。
进一步地，还包括用于进行信息显示的显控单元，所述显控单元包括依次电连接的第三CAN通讯模块、处理芯片和显示屏，所述第三CAN通讯模块与控制单元信号输出端电连接。
更进一步地，还包括用于输出操舵模式信号至控制单元的操舵模式模块，所述操舵模式模块包括依次电连接的光电耦合器和锁存器，所述光电耦合器的输入端用于电连接操舵模式选择开关，所述锁存器的输出端连接控制单元的信号输入端。
一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，采集船位信息、指令舵角、实际舵角、船体回转角速度及设定的迹向线和航线数据，根据船位信息和船体回转角速度获得最优航迹向状态量，根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号驱动舵叶转动实现船舶的自动操纵控制。
进一步地，通过卡尔曼滤波算法对船舶的航迹向进行观测优化确定最优航迹向状态量，所述船舶的航迹向与船位信息和船体回转角速度之间的关系如下：
其中，Hλ为船舶的航迹向，r为船体回转角速度，x和y分别为船体横向位移和纵向位移，通过船位信息确定，Vx和Vy分别为船舶航速Ve的横向和纵向分解量。
进一步地，所述船体回转角速度通过设置于舵角反馈单元中的角速度检测模块获得。
更进一步地，通过控制舵角的变化，使如下公式中的最优航迹向状态量Hλ、最优航迹向状态量变化率和横偏位移x趋近于零，实现船舶的自动操纵控制，
其中，δ为舵角，非线性项f(x)为关于横偏位移x的函数，Hλ为最优航迹向状态量，为航迹向变化率，kp、kd为相关系数。
本发明在艏向信号缺失条件下，通过采集船体的回转角速度，同时根据定位设备获得的船位信息，经数据解算及滤波处理求解出船舶的最优航迹向状态量；之后，根据得到的最优航迹向状态量以及船位信息、实际舵角信息、指令舵角信息、设定迹向线，可以进行船舶的迹向控制，实现不依赖艏向信号的船舶迹向自动操纵控制，控制船舶按设定的迹向线航行；另外，在电子海图给出设定的计划航线以后，可由获得的最优航迹向状态量、船位信息、实际舵角和指令舵角等信息，进一步实现船舶的航迹自动操纵控制，控制船舶按计划航线航行。
本发明实现了艏向信号缺失条件下的船舶自动操纵控制，将在经济性和航行安全性两方面产生有益效果：首先在经济性方面，一些小型民用渔船可以考虑不配备罗经设备，这样就节约了成本；由于依然能够实现自动操控，那么就降低了人工作业强度，可以保证远距离出海捕渔作业，使得经济效益极大提高；而且优化了船舶自动操控方法，能精准地控制船舶沿设定航线航行，减少无用的航行路程，使得油耗降低，航行效益大大提高。其次在航行安全性方面，可知几乎所有的自动操纵控制方法都依赖于艏向信息，所以在艏向信号缺失以后，自动舵设备几乎瘫痪，船舶是不能实现自动操控的，只能依靠手动打舵，控制效果变差，但本发明相当于为原有的每种船舶操纵控制方法提供了另一种思路，多了一层保障，以防设备故障造成自动驾驶失效，使得航行过程更加安全可靠，提高船舶航行的安全性；另外，在高纬度地区(例如地球南北极海域)航行时，由于陀螺罗经误差增大，导致船舶航向误差较大。若是可以不依赖艏向信号，船舶就可以不受罗经误差影响，在高纬度地区更精准且更安全地实现船舶自动操纵控制。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
图2为本发明控制模块的原理框图。
图3为本发明驱动模块的原理框图。
图4为本发明舵角反馈单元的原理框图。
图5为本发明显控单元的原理框图。
图6为本发明操舵模式模块的原理框图。
图7为本发明的船舶迹向、航迹自动操纵控制流程图。
图8为船舶迹向、航迹自动操纵控制原理框图。
图9为水面船舶航迹控制坐标和航向角的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
如图1-6所示，本发明提供一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，包括
舵轮3，用于输出指令舵角至控制单元；
定位模块5，用于获得实时船位信息并输出至控制单元；
舵角反馈单元7，用于实时检测船体实际舵角和船体回转角速度并发送至控制单元；
控制单元1，用于根据接收的船位信息和船体回转角速度确定最优航迹向状态量，用于根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号并输出至液压舵机；
液压舵机8，用于根据接收的转舵指令信号驱动舵叶转动完成船舶操纵控制。
上述方案中，控制单元1包括用于对接收的信息进行处理并输出转舵控制信号的控制模块1-1和用于对转舵控制信号进行处理形成转舵指令信号的驱动模块1-2，所述控制模块1-1包括第一单片机模块1-1-1、电平转换电路1-1-4、第一CAN通讯模块1-1-5，实现各种信号的处理和控制；所述驱动模块1-2包括前置信号放大模块1-2-3和磁隔离固态继电器1-2-4，所述第一单片机模块1-1-1的第一信号输入端通过电平转换电路1-1-4连接定位模块的输出端，第一单片机模块1-1-1的第二信号输入端和第三信号输入端分别通过第一CAN通讯模块1-1-5连接舵轮的输出端和舵角反馈单元的信号输出端，第一单片机模块1-1-1的控制信号输出端连接前置信号放大模块1-2-3的输入端，前置信号放大模块1-2-3的输出端连接磁隔离固态继电器1-2-4的输入端，磁隔离固态继电器1-2-4的输出端连接液压舵机8的信号输入端。
具体地，第一单片机模块采用型号为NUC472的单片机，航迹信号输入端1-1-2与电子海图6相连接，接收计划航线信号，并经过电平转换电路1-1-4转换成RS-422串口信号，输入至单片机模块中。同样的，GPS信号输入端1-1-3与定位模块5相连接，接收船位信号并经RS-422电平转换电路1-1-4，输入至第一单片机模块1-1-1。操舵模式控制信号输入端4-4与操舵模式选择单元4的控制信号输出端4-4相连接。第一单片机模块1-1-1通过第一CAN通讯模块1-1-5接收舵轮3给出的指令舵角信号3-1，并向显控单元2传输所需信号2-1，同时通过第一CAN通讯模块1-1-5接收舵角反馈单元7反馈回来的实际舵角信号和船体回转角速度信号。第一单片机模块1-1-1的左舵驱动信号输出端1-2-1和右舵驱动信号输出端1-2-2分别与驱动单元1-2的信号输入端1-2-1、1-2-2相连接。
驱动单元1-2中左舵信号输入端1-2-1和右舵信号输入端1-2-2接收来自第一单片机模块1-1-1的控制信号，并经过前置信号放大模块1-2-3进入磁隔离固态继电器1-2-4，最终输出转舵信号1-2-5至电磁阀8-1使其开始工作。其中前置信号放大模块1-2-3采用型号为SI2303的PMOS管实现信号的前置功率放大，磁隔离固态继电器1-2-4采用的型号为JGX-1671FXC，可进一步实现信号的功率放大。在驱动单元1-2中，两路信号驱动电路，分别对应液压舵机8的1号和2号液压机组。
上述方案中，舵角反馈单元7包括用于检测实际舵角信息的舵叶角度检测模块7-1、用于检测船体回转角速度的角速度检测模块7-2、运算放大模块7-3、第二单片机模块7-4和第二CAN通讯模块7-5，所述舵叶角度检测模块7-1和角速度检测模块7-2的输出端分别通过运算放大电路7-3电连接第二单片机模块7-4的输入端，所述第二单片机模块7-4输出端通过第二CAN通讯模块7-5电连接控制单元1的信号输入端。舵角反馈单元7中舵叶角度检测模块7-1采集舵叶转动角度信号并经运算放大电路7-3传输到第二单片机模块7-4进行数据处理，同时角速度检测模块7-2检测船体的回转运动，将采集的信号经运算放大电路7-3输出至第二单片机模块7-4中进行处理，第二单片机模块7-4完成数据处理后通过第二CAN通信模块7-5将实际舵角信号和船体回转角速度信号反馈回控制模块1-1中。其中角速度检测模块7-2采用ADXRS623型号的角速率陀螺仪，舵叶角度检测模块7-1采用BD404A型的自整角机，运算放大电路7-3采用TLC2252型运放，第二单片机模块7-4采用型号为NUC140LE3的芯片。
本发明在舵角反馈单元7中加入角速度检测模块7-2来实时敏感船体回转角速度，将其安装于舵角反馈单元一是因为角速度检测模块7-2要测量水平面内的船体回转角速度，所以要尽量使角速度检测模块水平放置，由于舵机舱几乎位于水线以下，相对于船上驾驶操纵室而言，受海浪风流的摇摆影响较小；二是将角速度检测模块7-2集成到反馈单元，十分便于安装。本实施例选用型号为ADXRS623的角速率陀螺仪，该陀螺仪器件功能完善、价格低廉、体积小、易于安装集成到电路板，使得敏感船体回转角速率更加方便。
上述方案中，还包括用于进行信息显示的显控单元2，所述显控单元2包括依次电连接的第三CAN通讯模块2-2、处理芯片2-3和显示屏2-4，所述第三CAN通讯模块2-2与控制单元1信号输出端电连接实现信号的传输，其中处理芯片2-3采用型号为STM32F407ZGT6的芯片，显示屏2-4采用标准的7寸液晶显示屏。
上述方案中，还包括用于输出操舵模式信号至控制单元的操舵模式模块4，所述操舵模式模块4包括依次电连接的光电耦合器4-2和锁存器4-3，所述光电耦合器4-2的输入端用于电连接操舵模式选择开关，所述锁存器4-3的输出端连接控制单元的信号输入端。操舵模式选择开关4-1与光电耦合器4-2相连，并经过锁存器4-3实现操舵模式信号控制，并把操舵模式控制信号4-4传输至控制单元1-1的操舵模式控制信号输入端4-4。其中光电耦合器4-2采用的型号为TLP521-4，锁存器4-3采用SN74HC573型号的三态输出八路非反转透明锁存器。
根据上述的船舶自动操纵系统，本发明还提供一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，采集船位信息、指令舵角、实际舵角、船体回转角速度及设定的迹向线和航线数据，根据船位信息和船体回转角速度获得最优航迹向状态量，根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号并驱动舵叶转动实现船舶的自动操纵控制。
参见图1，在自动操舵仪中，控制单元1接收定位模块5获得的船位信号和电子海图6给出的计划航线数据，并采集操舵模式模块4的开关状态信号(操舵模式分为简单操纵、随动操纵、迹向操纵、航迹操纵四种模式)，从内CAN网接收舵轮3给出的指令舵角信号，从外CAN接收舵角反馈单元7反馈回来的实际舵角信号和船体回转角速度信号，并在控制模块1-1中完成数据处理和操作控制，控制驱动模块1-2运行，输出转舵指令信号给电磁阀8-1，控制液压泵组8-2工作，继而驱动舵叶9转动完成操舵控制，并由舵角反馈单元7采集舵角信息实时反馈回控制模块1-1，形成控制闭环回路，同时控制模块1-1通过内CAN向显控单元2发送其需要的各种信号。
如图7所示是在控制模块1-1中的第一单片机模块1-1-1内部实现的船舶迹向自动控制和航迹自动控制流程。经过初始化程序1-1-1-1后，船位信息和船体回转角速度信息相结合通过数据解算1-1-1-7可得到实时的航迹向状态量，再经过滤波处理1-1-1-8即可获得最优的航迹向状态量，此时再结合接收到的设定迹向线1-1-1-2、船位1-1-1-3、指令舵角1-1-1-5以及实际舵角1-1-1-6等信息，在迹向/航迹控制1-1-1-9中完成迹向控制。同样的，利用获得的最优航迹向状态量、船位、计划航线、指令舵角以及实际舵角等信息在迹向/航迹控制1-1-1-9中即可完成航迹控制。
参见图7，数据解算1-1-1-7和滤波处理1-1-1-8的有关算法如下：
设Hλ为船舶的航迹向，r为船体回转角速度，在获得船舶经纬度坐标后，可知船体纵向位移y和横向位移x，则船舶航速Ve也可分解为Vx和Vy，则有:
为获得Hλ最优解，在滤波处理1-1-1-8中采用卡尔曼滤波算法对Hλ进行观测获得最佳状态量。卡尔曼滤波是采用递推估计的算法来进行系统状态估计，是一种最优估计技术。
迹向/航迹控制1-1-1-9的算法实现过程如下：
船舶迹向控制和航迹控制原理类似，二者区别在于：迹向控制中所给定的迹向线是自动舵自主生成的，而航迹控制中所需的计划航线是由外部电子海图系统6给出的。其次，迹向控制是根据包含起点和方向的迹向线来实现船舶的自动控制，而航迹控制是根据一条完整的航线实现船舶沿设定航线航行，包括每段航线间的转向控制。二者的控制原理结构图如图8所示。
以正常航行情况下的航迹控制方法为例，若忽略水面船舶的垂荡、横摇以及纵摇，只考虑船舶在水平面的运动，则可以简化为水面上3自由度的运动，水面船舶航迹控制坐标和航向角如图9所示。为了叙述方便，假设船舶计划航线方向与正北重合，则船舶偏离计划航线的角度Δψ与船舶航向角ψ相等，故以ψ代表船舶偏离计划航线的角度。
假定设定的计划航线与惯性坐标系中的Y轴重合，此时则不考虑船舶在Y轴上(即前进方向)的纵向位移，主要考虑船舶偏离航线的距离，即在X轴上的横向位移。则由船舶航迹NPD控制律可得：
式中，δ为舵角，非线性项f(x)为关于横偏位移x的函数，ψ为航向角，为航向变化率，kp、kd为相关系数。
航迹控制过程就是通过控制舵角的变化，使上式中的航向角ψ、航向变化率和横偏位移x趋近于零，以达到沿计划航线航行的目的。
由此可推得艏向信号缺失条件下的船舶迹向控制和航迹控制律为：
同样的若船舶计划航线方向与正北重合，则Hλ为经过滤波处理得到的最优航迹向，为航迹向变化率，即MEMS角速率传感器敏感到的船体回转角速度，则有/>
如图7所示，在经过数据解算1-1-1-7和滤波处理1-1-1-8得到最优航迹向状态量以后，结合接收到的设定迹向线、计划航线、船位、指令舵角以及实际舵角等信息，即可在设计的迹向/航迹控制1-1-1-9中完成迹向或者航迹自动控制。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，其特征在于：包括
舵轮，用于输出指令舵角至控制单元；
定位模块，用于获得实时船位信息并输出至控制单元；
舵角反馈单元，用于实时检测船体实际舵角和船体回转角速度并发送至控制单元；
控制单元，用于根据接收的船位信息和船体回转角速度确定最优航迹向状态量，用于根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号并输出至液压舵机；通过卡尔曼滤波算法对船舶的航迹向进行观测优化确定最优航迹向状态量；
液压舵机，用于根据接收的转舵指令信号驱动舵叶转动完成船舶操纵控制；
所述控制单元包括用于对接收的信息进行处理并输出转舵控制信号的控制模块和用于对转舵控制信号进行处理形成转舵指令信号的驱动模块，所述控制模块包括第一单片机模块、电平转换电路、第一CAN通讯模块，所述驱动模块包括前置信号放大模块和磁隔离固态继电器，所述第一单片机模块的第一信号输入端通过电平转换电路连接定位模块的输出端，第一单片机模块的第二信号输入端和第三信号输入端分别通过第一CAN通讯模块连接舵轮的输出端和舵角反馈单元的信号输出端，第一单片机模块的控制信号输出端连接前置信号放大模块的输入端，前置信号放大模块的输出端连接磁隔离固态继电器的输入端，磁隔离固态继电器的输出端连接液压舵机的信号输入端；
所述舵角反馈单元包括用于检测实际舵角信息的舵叶角度检测模块、用于检测船体回转角速度的角速度检测模块、运算放大模块、第二单片机模块和第二CAN通讯模块，所述舵叶角度检测模块和角速度检测模块的输出端分别通过运算放大模块电连接第二单片机模块的输入端，所述第二单片机模块输出端通过第二CAN通讯模块电连接控制单元的信号输入端；
包括用于输出操舵模式信号至控制单元的操舵模式模块，所述操舵模式模块包括依次电连接的光电耦合器和锁存器，所述光电耦合器的输入端用于电连接操舵模式选择开关，所述锁存器的输出端连接控制单元的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，其特征在于：还包括用于进行信息显示的显控单元，所述显控单元包括依次电连接的第三CAN通讯模块、处理芯片和显示屏，所述第三CAN通讯模块与控制单元信号输出端电连接。
3.一种基于权利要求1所述的船舶自动操纵系统实现的不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，其特征在于：采集船位信息、指令舵角、实际舵角、船体回转角速度及设定的迹向线和航线数据，根据船位信息和船体回转角速度获得最优航迹向状态量，根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号驱动舵叶转动实现船舶的自动操纵控制；
通过卡尔曼滤波算法对船舶的航迹向进行观测优化确定最优航迹向状态量，所述船舶的航迹向与船位信息和船体回转角速度之间的关系如下：
其中，为最优航迹向状态量，/>为船体回转角速度，x和y分别为船体横向位移和纵向位移，通过船位信息确定，/>和/>分别为船舶航速/>的横向和纵向分解量；
通过控制舵角的变化，使如下公式中的最优航迹向状态量最优航迹向状态量变化率/>和横向位移x趋近于零，实现船舶的自动操纵控制，
其中，为舵角，非线性项/>为关于横向位移/>的函数，/>为最优航迹向状态量，/>为航迹向变化率，/>为第一相关系数、第二相关系数。
4.根据权利要求3所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，其特征在于：所述船体回转角速度通过设置于舵角反馈单元中的角速度检测模块获得。
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