船舶自動(dòng)舵航向保持與航跡保持模式的比較研究

◎ 李磊 謝涌 儲(chǔ)凌劍 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部

近年來(lái)，航運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)船舶航行安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求不斷提高，對(duì)自動(dòng)舵控制系統(tǒng)的控制性能要求也越來(lái)越高。目前，自動(dòng)舵操控船舶主要以航向保持和航跡保持兩種模式為主，無(wú)論何種模式，均有效減輕了航海人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)在某種程度上提高了船舶航行的操縱性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

航跡保持模式是繼航向保持模式之后研發(fā)出來(lái)的，其控制性能更優(yōu)，自動(dòng)化程度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。從實(shí)現(xiàn)“無(wú)人駕駛”這一終極目標(biāo)考慮，航跡舵的使用普及將是未來(lái)船舶操控技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。因此，突出使用航跡保持模式的優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)航跡舵在航海中的使用普及逐步成為當(dāng)前航運(yùn)事業(yè)的一大焦點(diǎn)。

1.自動(dòng)舵及其工作模式

自動(dòng)舵又稱自動(dòng)操舵儀，是船舶系統(tǒng)非常重要的設(shè)備，也是實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵設(shè)備，在一定航行條件下（如：大洋航行）能夠自動(dòng)糾正偏航角度或者偏航距離，從而使船舶近似或精確地在設(shè)定航向或設(shè)定航線上航行。近年來(lái)，隨著自動(dòng)舵設(shè)計(jì)技術(shù)逐步成熟，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)出現(xiàn)了多種成熟的航向舵、航跡舵產(chǎn)品，其工作模式主要分為航向保持模式和航跡保持模式。

1.1 航向保持模式

航向保持模式是由駕駛員根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定計(jì)劃航向值，自動(dòng)舵通過(guò)控制系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)流壓差情況，不斷調(diào)整航向使船舶在計(jì)劃航向上行駛。該模式要求控制系統(tǒng)給出控制舵角δ克服外界環(huán)境的干擾和船舶六自由度運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的特點(diǎn)，盡可能使航向φ維持在設(shè)定航向φr上。如圖1，該模式控制舵角δ是航向誤差Δφ=φr-φ和轉(zhuǎn)首角速度r的函數(shù)：

圖1 航向保持工作模式

這個(gè)函數(shù)關(guān)系中，如果δ與Δφ和r成線性關(guān)系的話，就能夠設(shè)計(jì)出比例-微分（PD）舵，這是一種已得到廣泛應(yīng)用的控制律。

1.2 航跡保持模式

航跡保持模式是繼航向保持之后設(shè)計(jì)出來(lái)的，自動(dòng)舵通過(guò)控制系統(tǒng)綜合考慮風(fēng)流壓、偏離航線距離、轉(zhuǎn)向點(diǎn)等情況，不斷調(diào)整航向使船舶保持在計(jì)劃航線上行駛。該模式要求控制舵角克服外界環(huán)境的干擾和船舶本身六自由度運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的特點(diǎn)，使船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡盡可能地維持在設(shè)定航跡線上。顯然，該模式的控制律更為復(fù)雜，既要消除航向誤差Δφ=φr-φ，還要消除實(shí)際船位偏離設(shè)計(jì)航跡線的航跡誤差η，另外需要說(shuō)明的是，在這種模式下，φr是指設(shè)定航跡線上與實(shí)際船位距離最近點(diǎn)的切線方向。如圖2，控制舵角δ應(yīng)該是航向誤差Δφ=φr-φ、轉(zhuǎn)首角速度r和偏航距離η的函數(shù)：

圖2 航跡保持工作模式

眾所周知，人的智能是任何自動(dòng)化裝置都無(wú)法比擬的，自動(dòng)舵這兩種工作模式也是如此。無(wú)論設(shè)計(jì)者如何費(fèi)盡苦心，航向保持模式和航跡保持模式都有著自身避免不了的固有缺陷：航向保持模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向，而航跡保持模式在自動(dòng)回歸到計(jì)劃航線期間，無(wú)法自動(dòng)識(shí)別危險(xiǎn)情況。

如圖3，航跡保持模式下，b船在1位置處偏離計(jì)劃航線較遠(yuǎn)，控制系統(tǒng)給出控制指令使b船轉(zhuǎn)向到2處位置，如果這時(shí)在航線左側(cè)有圖中c船（常與本船形成對(duì)遇局面），那么由于兩者逼近速度非?？欤词苟潭處追昼姇r(shí)間也很有可能構(gòu)成緊迫局面甚至發(fā)生碰撞事故。

圖3 會(huì)船

通過(guò)以上分析可知，自動(dòng)舵的核心在于控制律，即尋求確定函數(shù)f1、f2的方法并得到最終結(jié)果。目前，絕大多數(shù)自動(dòng)舵均具備航跡保持這一控制技術(shù)，但該項(xiàng)技術(shù)依然不夠成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于嘗試應(yīng)用各種不同的控制算法，以各自優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)對(duì)方不足。盡管如此，對(duì)于船舶應(yīng)用而言，目前航跡舵的發(fā)展程度足以滿足廣大船員的使用要求。如果在航行中能夠使用航跡保持功能，則在一定程度上能起到節(jié)省人力、物力、財(cái)力的作用，更能進(jìn)一步達(dá)到提高海運(yùn)事業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的，也將使“無(wú)人駕駛”技術(shù)更快走向成熟。

2.自動(dòng)舵兩種模式間的比較研究

簡(jiǎn)單的船舶自動(dòng)舵控制系統(tǒng)如圖4所示，其中R為某一工作模式下設(shè)定的控制量，如：航向保持模式時(shí)，R是指設(shè)定航向值；航跡保持模式時(shí)，R則代表處于激活狀態(tài)的計(jì)劃航線與船位最近處的切線的方向。C是通過(guò)反饋傳感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量得到的船舶航行出來(lái)的與R相對(duì)應(yīng)的量的實(shí)際值，如：航向保持模式時(shí)是指船舶實(shí)際航向。Δ=R-C是在自動(dòng)舵模式下控制量的設(shè)定值與測(cè)量值的差，用來(lái)作為控制器的輸入。以航向保持控制器為例，它是根據(jù)控制量航向的偏差大小設(shè)計(jì)一個(gè)控制律，通過(guò)控制輸出命令舵角δr打舵使船舶沿著減小航向偏差的方向航行，使最終偏差為0。δr為控制器的輸出，同時(shí)也是被動(dòng)對(duì)象的輸入。

圖4 自動(dòng)舵控制器系統(tǒng)圖

2.1 從本質(zhì)層面上進(jìn)行比較

船舶自動(dòng)舵航跡保持模式目前有綜合控制和分離控制兩種方案。其中綜合控制方案主要用于對(duì)航跡進(jìn)行高精度控制的場(chǎng)合，該控制方案基本還停留在仿真階段，使用起來(lái)存在不少問(wèn)題，且成本較高，即使成型后使用也會(huì)很少。因此，接下來(lái)將以航跡舵分離控制方案為例對(duì)兩種基本功能模式進(jìn)行比較。

首先，對(duì)分離控制自動(dòng)舵設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。如圖5，整個(gè)方案把控制分成相互嵌套的三個(gè)控制環(huán)，外環(huán)又稱航跡環(huán)，將GPS定位的船位數(shù)據(jù)與計(jì)劃航線比較獲得偏離航線距離η（k）（以下稱為“偏航距離”），通過(guò)航跡控制算法得到一個(gè)命令航向φr（k）給航向控制環(huán)，從而引導(dǎo)船舶向著消除或者盡量減少偏航距離的方向航行；中環(huán)又稱航向控制環(huán)，將羅經(jīng)測(cè)得的船舶實(shí)際航向φ（k）與航跡控制環(huán)給出的命令航向φr（k）比較產(chǎn)生誤差信息Δφ（k）=φr（k）-φ（k），通過(guò)航向控制算法得到一個(gè)控制舵角δr（k），通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行控制舵令，使船舶向減少航向偏離誤差的方向操縱；內(nèi)環(huán)又稱舵角控制環(huán)，通過(guò)舵角傳感器把伺服舵機(jī)實(shí)際實(shí)施的舵角δ（k）的大小反饋給控制舵角輸出，與控制舵角δr（k）進(jìn)行比較，從而驅(qū)動(dòng)伺服舵機(jī)使舵角度δ（k）和中環(huán)給出的控制舵角δr（k）盡可能保持一致，最終操縱船舶航行在計(jì)劃航線上，實(shí)現(xiàn)航跡保持。

圖5 航跡舵分離控制設(shè)計(jì)方案

通過(guò)以上分析并結(jié)合上部分對(duì)兩種功能模式的原理介紹，顯然能夠看出分離控制方案是把航跡控制和航向控制分別作為兩個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，這也是自動(dòng)舵的發(fā)展趨勢(shì)，可根據(jù)用戶要求,選配航跡控制模塊，易于實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。而在航向控制模塊的基礎(chǔ)上增加航跡偏離誤差反饋這一閉合環(huán)路后控制器就能夠不斷更新航向控制中所采用的命令航向φr（k），最終實(shí)現(xiàn)航跡保持這一功能。就是說(shuō)，在航向保持模式下，命令航向φr（k）是一個(gè)定值，是駕駛員在自動(dòng)舵設(shè)置面板上所設(shè)置的值；而在航跡保持模式下，命令航向φr（k）卻是一個(gè)不停變化的值，是通過(guò)計(jì)算計(jì)劃航線上與船位最近點(diǎn)的切線方向所得到的。

航跡舵相當(dāng)于所設(shè)置的參考航向不停改變著的航向舵，而這個(gè)參考航向就是通過(guò)外環(huán)（航跡控制環(huán)）對(duì)航向偏離誤差、轉(zhuǎn)首角速度、偏離航線距離計(jì)算而得到的。使用一個(gè)不停變化的參考航向與使用一個(gè)設(shè)定不變的參考航向值相比，顯然就需要更頻繁的要求執(zhí)行舵角或者甚至更大的幅度，這樣勢(shì)必會(huì)對(duì)舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)造成不必要的沖擊損耗。但是在自動(dòng)舵設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者分別引入表征航向均方誤差的指標(biāo)IT和舵角均方值的指標(biāo)JT：

其中，IT代表控制精度，JT代表控制導(dǎo)致的舵機(jī)損耗，這樣通過(guò)分離控制方案中三大組成閉環(huán)的相互協(xié)調(diào)合作使這兩項(xiàng)指標(biāo)以小為好，這樣既能夠達(dá)到盡量較小對(duì)舵機(jī)的損耗的目的，同時(shí)提高船舶控制性能。

2.2 從實(shí)際應(yīng)用上進(jìn)行比較

結(jié)合上述分析，我們知道自動(dòng)舵核心是設(shè)計(jì)控制器所使用的控制算法，但任何控制器的設(shè)計(jì)都是為了投入實(shí)際應(yīng)用，航海人員更多的不會(huì)關(guān)心它使用何種控制算法，而是使用這種控制器所獲得的控制效果、與人工操舵相比其優(yōu)勢(shì)所在以及不可避免的缺陷、能否實(shí)現(xiàn)在船舶操縱方面擺脫體力勞動(dòng)減少人員配置的最終目的。因此，本文通過(guò)實(shí)船實(shí)驗(yàn)，從利用自動(dòng)舵進(jìn)行船舶操縱實(shí)踐的角度分別對(duì)航向保持和航跡保持兩種模式各自的性能情況進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，并結(jié)合船舶駕控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)其做進(jìn)一步研究。

以下是某輪在某航次中使用自動(dòng)舵分別在航向保持和航跡保持模式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)，如圖6。

圖6 航向舵及航跡舵實(shí)驗(yàn)

其中航向舵實(shí)驗(yàn)于2020年4月13日下午14:00 開始進(jìn)行，當(dāng)時(shí)海況：風(fēng)6級(jí)，浪4級(jí)，船速16.0節(jié)，在自動(dòng)舵控制面板上設(shè)置船舶航向217°。航跡舵直線段實(shí)驗(yàn)于2020年4月13日晚18:30開始進(jìn)行，當(dāng)時(shí)海況：風(fēng)6級(jí)，浪5級(jí)，電子海圖上設(shè)計(jì)航線的航向?yàn)?80°，實(shí)驗(yàn)期間船速變?yōu)?6.9節(jié)。

比對(duì)圖中數(shù)據(jù)可以看出，自動(dòng)舵在航向保持模式下控制船舶運(yùn)動(dòng)的性能較航跡保持模式下差，具體分析如下：

（1）穩(wěn)定性。使用航向舵時(shí)，其走過(guò)的航跡是由曲折的曲線連接而成，就會(huì)造成航行過(guò)程中穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致航程的不必要增加；而使用航跡舵時(shí)，船舶走過(guò)的航跡嚴(yán)格壓在計(jì)劃航線上，其航跡線接近于直線，也盡可能避免了不必要的航程增加。

（2）準(zhǔn)確性。從目前現(xiàn)狀看，航向舵控制船舶的準(zhǔn)確性已經(jīng)達(dá)到船員在大洋航行時(shí)對(duì)其的一般要求，然而從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度考慮“無(wú)人駕駛”的實(shí)現(xiàn)，提高船舶控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性能是十分有必要的，而航跡舵正是為這樣的提高起了基奠作用。在航向保持模式下，自動(dòng)舵只負(fù)責(zé)盡量把船舶航向把定在設(shè)定值，至于偏離設(shè)計(jì)航線的遠(yuǎn)近完全靠駕駛員的航行操作來(lái)控制；在航跡保持模式下，這一缺點(diǎn)得到了充分彌補(bǔ)，它能夠更精確地控制船舶運(yùn)動(dòng)幾乎完全消除偏離航線距離，從而提高自動(dòng)舵控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。這一性能的提高，一方面使船舶的航行充分考慮了在設(shè)計(jì)計(jì)劃航線時(shí)所考慮的安全因素（如水深淺點(diǎn)、礙航物等）；另一方面也起到減少不必要航程的作用。

（3）快速性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄可以看出，在影響船舶操縱的外界因素基本不變的情況下，使用航跡舵時(shí)船速達(dá)到16.9節(jié)，較航向舵優(yōu)，這一點(diǎn)保證了航跡舵操縱船舶的快速性。

（4）節(jié)能經(jīng)濟(jì)。對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性，主要考慮兩方面問(wèn)題：（1）主機(jī)負(fù)荷是否增加，導(dǎo)致主機(jī)輸出功率提升；（2）控制器要求用舵是否過(guò)頻，或者用舵幅度是否過(guò)大。

在開始進(jìn)行航跡舵實(shí)驗(yàn)時(shí)，初期發(fā)現(xiàn)這種模式下控制器給出的舵角幅度偏大，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（持續(xù)使用4個(gè)小時(shí)）使用航跡舵，即在整個(gè)航跡舵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，并不再存在這一問(wèn)題。另外，在航行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除了外界風(fēng)浪對(duì)船體包括舵設(shè)備的沖擊影響外，主機(jī)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定。

接下來(lái)結(jié)合圖7，對(duì)（2）中提到的問(wèn)題進(jìn)行分析：

圖7 兩種工作模式下的航向記錄

圖中分別顯示了航向保持模式、航跡保持模式下的航向打印記錄，其中航段的選取以隨機(jī)、公正、突出代表性為原則。從圖中可以看出，直線航段航跡保持時(shí)航向變化震蕩曲線較航向保持時(shí)穩(wěn)定，這較大程度上能夠說(shuō)明其穩(wěn)定性高。另外，也較凸顯出了航跡舵能夠減少不必要航程的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)減少航程同時(shí)也提高了船舶的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益。

（5）簡(jiǎn)單。由于航海歷史發(fā)展原因，船員和設(shè)計(jì)者一再提倡“船舶設(shè)備越簡(jiǎn)單越可靠”的原則，對(duì)于自動(dòng)舵控制器來(lái)說(shuō)同樣適用。關(guān)于這一點(diǎn)，多數(shù)船員普遍認(rèn)為使用航跡舵操作復(fù)雜，沒(méi)有使用航向舵可靠、放心，但如果仔細(xì)糾察在航跡舵模式下的操作時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)相對(duì)航向舵來(lái)說(shuō)，僅僅多了一步：就是在大洋中如果由于臨時(shí)原因需要違背計(jì)劃航線改變航向時(shí)，必須先把航跡模式切換成航向模式，才能夠進(jìn)行改變航向，僅僅多了這一步而已。所以，關(guān)于船員對(duì)其的認(rèn)識(shí)，本文認(rèn)為更多的原因在于習(xí)慣做法問(wèn)題上。

3.結(jié)論與展望

本文對(duì)船舶自動(dòng)舵兩種工作模式進(jìn)行了較全面的比較研究，理論與實(shí)踐相結(jié)合，討論了自動(dòng)舵兩種工作模式所使用控制器的性能特點(diǎn)，并結(jié)合航向舵實(shí)驗(yàn)，突出自動(dòng)舵在航跡保持模式下其綜合性能較航向保持模式下更具優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。但在船舶自動(dòng)化逐步走向“無(wú)人駕駛”的過(guò)程中，這個(gè)領(lǐng)域仍存在很多問(wèn)題，如：在不同航行階段自動(dòng)舵、手操舵、應(yīng)急舵之間轉(zhuǎn)換使用優(yōu)先權(quán)問(wèn)題，自動(dòng)避碰技術(shù)實(shí)現(xiàn)后的普及問(wèn)題，自動(dòng)靠離泊技術(shù)實(shí)現(xiàn)后的推廣問(wèn)題等，在解決這些問(wèn)題時(shí)都不可避免地會(huì)遇到類似航跡舵普及所面臨的問(wèn)題，這也是本文寫作的目的所在，希望能夠?yàn)檫@方面的研究起到拋磚引玉的作用。