一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Ship Automatic Manoeuvring System and Method Independent of Heading Signal

The invention discloses a ship automatic control system and method independent of the heading signal. It collects ship position information, command rudder angle, actual rudder angle, hull rotation angular velocity and set track and route data. According to ship position information and hull rotation angular velocity, it obtains the optimal track state quantity. According to the optimal track state quantity, ship position information, command rudder angle, actual rudder angle and set track and route, it obtains the steering command signal and drives the rudder blade to rotate to realize the ship. Automatic control of ship. The invention realizes the automatic control of the ship under the condition of absence of the heading signal, reduces the intensity of manual operation, greatly improves the economic benefit and the safety of the ship navigation.

【技术实现步骤摘要】
一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统及方法
本专利技术属于船舶操纵控制
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述
技术介绍
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。本专利技术采用的技术方案是：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)为关于橫偏位移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。本专利技术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。本专利技术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，但本专利技术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。若是可以不依赖艏本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。

【技术特征摘要】
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；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。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：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。3.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：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。4.根据权利要求1所述的不依赖艏向...

【专利技术属性】
技术研发人员：周岗，宰德广，陈永冰，李文魁，李晨，张智颖，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42