基于PC/104的航跡自動舵研究與設(shè)計

潘 進(jìn) 張韶華 尹國龍 陳皆潞

（上海航海儀器有限責(zé)任公司 上海200136）

0 引 言

海上航行時，由于風(fēng)、浪、流以及船體本身的影響，船舶不可避免地會偏離計劃航線。這樣就需要駕駛?cè)藛T對船舶位置及航向不斷進(jìn)行調(diào)整，使船舶盡可能地在計劃航線上航行。為了使船舶駕駛?cè)藛T能夠從這種繁復(fù)勞動中解脫出來，使用航跡自動舵，實現(xiàn)船舶航跡的精確保持成為人們最迫切的愿望。但是，我國船舶自動舵的研制、生產(chǎn)長期以來都是基于PID控制的機電產(chǎn)品［1］，自適應(yīng)或者智能航向舵及航跡舵還未形成定型成品［2］。雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對自動操舵儀的控制策略進(jìn)行了研究［3-4］，但真正形成產(chǎn)品的很少。本文在上海航海儀器有限責(zé)任公司現(xiàn)有的航向數(shù)字自動操舵儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，已經(jīng)形成一套航跡自動操舵儀的原理樣機。

1 航跡自動舵系統(tǒng)原理

航跡自動舵由三個閉環(huán)回路構(gòu)成：航跡控制回路、航向控制回路和舵角控制回路。航跡控制回路將GPS接收的船舶實際位置信息（經(jīng)度和緯度）與電子海圖發(fā)出的計劃航線相比較，得到航跡偏差，通過航跡控制算法得到指令航向給航向控制回路；航向控制回路將羅經(jīng)采集的實際航向與指令航向相比較，根據(jù)航向控制算法得到指令舵角給舵角控制回路；舵角控制回路將舵角反饋裝置發(fā)回的實際舵角值與指令舵角相比較，驅(qū)動舵機使舵角反饋值與指令舵角相一致，從而實現(xiàn)船舶的航跡控制，如圖1所示。

圖1 航跡控制原理框圖

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，航跡控制邏輯清晰，各控制回路功能明確且可以分解。如果沒有航跡控制回路，可以使用航向控制，則成為航向自動舵；如果同時沒有航跡和航向控制回路，即僅僅使用舵角反饋控制，則成為隨動自動舵。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)的維護(hù)與升級，符合駕駛?cè)藛T的邏輯思維，尤其有利于船舶駕駛安全。當(dāng)高級別的操舵功能出現(xiàn)故障的時候，低級別的功能卻依然可以正常使用。

2 硬件結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

傳統(tǒng)自動操舵儀設(shè)計采用大量模擬裝置和機電設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線纜繁多［5］。一般來說，操舵儀安裝在駕駛室，而控制部分卻安裝在舵機艙，兩者之間距離較遠(yuǎn)，如果能夠減少之間的線纜連接，不僅可以大大降低成本，而且可以提高整個鋪線的效率。

本套航跡控制自動舵全數(shù)字模式，采用研祥公司生產(chǎn)的低功耗嵌入式PC/104工業(yè)計算機為核心，以單片機作為外圍支持，組成多CPU系統(tǒng)，并且采用雙機熱備份，提高系統(tǒng)的可靠性。同時，由于數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳遞，大大減少了信號線纜的需求。

PC/104工業(yè)計算機負(fù)責(zé)復(fù)雜算法、數(shù)據(jù)接收以及協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，單片機負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，從而實現(xiàn)模塊化的設(shè)計，方便安裝和維護(hù)。采用液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，采用DOS操作系統(tǒng)，軟件主要以C語言為主進(jìn)行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)航跡、航向、隨動、遠(yuǎn)程應(yīng)急和本地應(yīng)急操舵功能，以及系統(tǒng)報警、舵機報警等報警功能，同時還具有參數(shù)設(shè)置、調(diào)光等多種功能。其硬件功能及結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 航跡自動舵硬件組成框圖

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

軟件設(shè)計采用自上而下的模塊化設(shè)計方法，根據(jù)軟件需求報告制定軟件詳細(xì)設(shè)計，細(xì)化為顯示模塊、中斷處理模塊、通信模塊、定時模塊、按鍵處理模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)采集以及處理模塊等。

3.1 航跡控制

航跡航行控制示意圖如圖3所示。

圖3 航跡航行控制示意圖

圖3中A、B兩點為計劃航線上的任意兩個相鄰的轉(zhuǎn)向點，分別以此兩點為圓心，以ER為半徑畫圓，將兩圓連接成圖中虛線所示形狀，于是在計劃航線兩側(cè)各形成一個寬度為ER的帶狀區(qū)域，此區(qū)域可稱為航跡允許偏差帶。對于不同的航跡保持精度，船舶可以通過調(diào)整偏差帶ER來實現(xiàn)。

如果船舶航行在偏差帶內(nèi)，可以認(rèn)為船舶的實際航行精度已滿足了計劃航行精度的要求。一旦發(fā)現(xiàn)船舶越出偏差帶（如圖3中的P點），便立即采用航跡控制方式，依靠對船舶實施航向控制來使船舶迅速返回計劃航線。

航跡控制器的功能主要是根據(jù)船舶航跡偏差的大小重新計算船舶指令航向傳遞給航向控制器，而航向控制器的作用就是使船舶艏向保持穩(wěn)定，達(dá)到消除航跡偏差的目的。

根據(jù)上述原理可知：航跡控制系統(tǒng)中的輸入?yún)?shù)是航跡偏差ER，而輸出參數(shù)為指令航向角，指令航向角使船舶舶向偏向航跡一邊，使航跡偏差逐漸減小。

航跡功能的使用必須通過以太網(wǎng)與電子海圖相連接，及時接收電子海圖發(fā)送過來的航線計劃，同時通過串口接收GPS數(shù)據(jù)信息，以便實現(xiàn)航跡功能。

3.2 航向控制

航向功能中的實際航向信息來自于電羅經(jīng)或者磁羅經(jīng)。指令航向信息采用鍵盤和旋鈕來調(diào)節(jié)。使用鍵盤設(shè)定到航向指令設(shè)定狀態(tài)，采用航向?qū)Ｓ眯o來設(shè)定大小，初始值為當(dāng)前羅經(jīng)航向。

航向控制算法采用參數(shù)自整定模糊PID算法。該控制器為一個二輸入三輸出的自適應(yīng)摸糊控制器。以航向角偏差e和偏差變化率Δe作為輸入，PID控制器的三個參數(shù)Kp、Ki、Kd作為輸出。模糊控制器中，模糊決策采用Mamdani型算法，解模糊算法采用重心法。

3.3 隨動控制

隨動指令舵角信號和實際舵角反饋信號均通過串口采集，采用Bang-Bang控制律，設(shè)定門限值。

3.4 應(yīng)急操舵

當(dāng)以上功能都不起作用的時候，可以采用應(yīng)急操舵。應(yīng)急操舵分為遠(yuǎn)程和本地，既可以在駕駛臺操舵，也可以在舵機艙進(jìn)行操舵。應(yīng)急操舵在結(jié)構(gòu)設(shè)計時與以上的回路相隔離，采用單獨的回路，直接控制電磁閥來驅(qū)動液壓舵機。

軟件部分除了對必要的數(shù)據(jù)信息處理以及控制算法進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計以外，還充分體現(xiàn)了人機友好的思想，所見即所得。界面上顯示了操舵人員想要的所有數(shù)據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)。除此之外，軟件還設(shè)計了系統(tǒng)故障聲光報警，根據(jù)狀態(tài)采集和數(shù)據(jù)采集板反映的信息，自動進(jìn)行系統(tǒng)診斷，不僅可以提醒相關(guān)人員盡快進(jìn)行修理，而且還快速制定了故障模塊，快捷方便。為了適應(yīng)不同光照下的航行，尤其是黑夜里的航行，顯示軟件還設(shè)計了16級的調(diào)光環(huán)節(jié)。

考慮到船舶自身以及海洋環(huán)境的不同，軟件還設(shè)計了“裝載”、“海況”和“舵角比例”選項。操作人員可以根據(jù)船舶自身的吃水深度來選擇不同的“裝載”，根據(jù)風(fēng)、浪、流的實際情況來選擇不同的“海況”，以及通過“舵角比例”來調(diào)節(jié)不同的航向精度。

4 樣機測試

研制出來的航跡自動操舵儀樣機在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行模擬仿真。仿真系統(tǒng)可以選擇不同的船模、不同的海況和不同的航行區(qū)域，增強了仿真的可信度。通過仿真測試可知，航跡自動操舵儀樣機可以很好的跟蹤預(yù)定航線計劃，偏差在100 m之內(nèi)。當(dāng)電子海圖中當(dāng)前航線改變時，航跡自動操舵儀能夠及時修改當(dāng)前航向以跟蹤最新的航線計劃。

5 結(jié) 論

本文在現(xiàn)有航向自動操舵儀的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于PC/104的數(shù)字式航跡自動操舵儀，本次設(shè)計是對航向自動舵功能的拓展，并且經(jīng)過系統(tǒng)仿真，得到了理想的航跡跟蹤效果。

［1］鞠世瓊.船舶航跡舵控制技術(shù)研究與設(shè)計［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

［2］周永余，陳永冰，周崗，等.航向、航跡自動操舵儀船舵控制系統(tǒng)的研制［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2005，13（3）：47-51.

［3］LEE G，SURENDRANS，KIM S H.Algorithms to control the moving ship during harbor entry［J］.Applied Mathematical Modeling，2009，33（5）：2474-2490.

［4］熊遠(yuǎn)生，俞立，徐建明.數(shù)字式航向航跡自動操舵儀的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2009，17（2）：175-178.

［5］潘為剛.基于ARM的隨動操舵系統(tǒng)的研制［J］.船海工程，2008（3）：146-148.