楊樹仁 印士波 杜志嘯

（中船航海科技有限責任公司，北京，100071）

基于電子海圖與自動操舵儀的航跡控制系統(tǒng)的仿真研究

楊樹仁 印士波 杜志嘯

（中船航?？萍加邢挢熑喂?，北京，100071）

以航跡控制系統(tǒng)實現方法為主要研究內容，探究自動操舵儀和電子海圖的有效協(xié)同控制形式，經軟件仿真平臺驗證，該系統(tǒng)能夠滿足航跡控制系統(tǒng)的要求。

航跡控制系統(tǒng)；電子海圖；自動操舵儀；協(xié)同控制；仿真平臺

隨著高精度船舶定位設備的出現，使得船舶航跡控制成為可能，因此以控制船舶按照指定航線自動航行為主的航跡控制系統(tǒng)應運而生，成為研究熱點。航跡控制系統(tǒng)（Track Control System,TCS）主要以船舶航跡控制功能為主，集航跡規(guī)劃、信息顯示、航行報警、舵機操控于一體，兼具船舶航向控制和手動控制功能，控制船舶自動跟蹤計劃航線，達到節(jié)省時間、縮短距離、低耗節(jié)能的航行目的。聯合使用電子海圖與自動操舵儀的功能是實現航跡控制系統(tǒng)的一種有效手段。利用電子海圖豐富的圖形信息，能夠有效地實現航行決策、航跡規(guī)劃、信息顯示、航行報警等功能。利用自動操舵儀成熟的控制體系，能夠有效地實現航向控制、航跡控制、隨動控制等功能。電子海圖與自動操舵儀聯合形成一個更加完善的航跡控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 電子海圖

電子海圖的全稱為電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS），是在紙質海圖的基礎上發(fā)展的新型船舶導航和輔助決策系統(tǒng)，能夠提供各種航行和環(huán)境信息的顯示，如水深、氣象、地形、航線、姿態(tài)、航速、位置等。

電子海圖有良好的人機交互界面，用戶操作簡單，功能豐富。提供常用的放大、縮小和漫游功能。提供網格線視圖，并在網格線附近標注出相應的經度或緯度。電子海圖主要包括航線制定、航行軌跡、參數設置、工況選擇、網格顯示、狀態(tài)監(jiān)測和輔助功能等。在航跡控制系統(tǒng)中，主要用到是航跡規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)測。其中航跡規(guī)劃是根據環(huán)境信息、天氣信息以及船舶的運動性能，在電子海圖上制定出合理的計劃航線，主要包括各航路點、航路段、轉彎半徑、轉彎速率、計劃航速等信息。

1.2 自動操舵儀

自動操舵儀，又稱自動操舵裝置，是船上用于自動控制舵機的設備，保持船舶按照相應的航向或航跡航行。自動操舵儀主要有三種控制模式，分別是自動、隨動（FU）、應急（NFU）[1]。其中，自動控制模式主要有兩種控制工況，分別是艏向控制和航跡控制，一些公司的自動操舵儀還添加了跡向線控制，如雷神安修斯（Raytheon Anschütz）的NautoPilot 5000系列自動操舵儀。隨動操舵模式和應急操舵模式都屬于人工操舵模式。隨動操舵是通過人工控制操縱臺上的隨動操縱手輪，使得舵機跟隨運動；應急操舵是通過人工操縱應急操縱手柄，使得舵機按給定方向運動。

1.3 聯合控制系統(tǒng)

在基于電子海圖與自動操舵儀的航跡控制系統(tǒng)中，按照電子海圖的重要程度從低到高劃分，分別有A、B、C、D四型。A型系統(tǒng)中，電子海圖的功能比較單一，僅在常用功能的基礎上增加航線規(guī)劃和航線信息輸出功能，電子海圖與自動操舵儀的耦合性并不緊密。B型系統(tǒng)中，電子海圖增加了航行信息解算功能，能夠根據規(guī)劃后的計劃航線以及船舶的位置信息，實時解算出偏航距、目標航路點、計劃航向等信息，并傳輸給自動操舵儀，增加了電子海圖與自動操舵儀的耦合程度。C型系統(tǒng)中，電子海圖增加了航跡制導功能[2]，能夠根據航跡偏差推算出最佳的指令航向，并傳輸給自動操舵儀，其中自動操舵儀僅需具備航向控制功能。D型系統(tǒng)中，電子海圖具備全部的航跡控制功能，能夠根據各種航行信息和環(huán)境數據，計算出合理的指令舵角，傳輸給自動操舵儀，其中自動操舵儀僅需具備隨動控制功能。

本文主要以A型系統(tǒng)作為研究對象開展研究，其航跡控制系統(tǒng)的基本組成如圖1所示，主要采用間接式航跡控制方法。首先通過電子海圖制定出計劃航線發(fā)給自動操舵儀的航跡控制模塊。航跡控制模塊根據當前的船舶位置信息、船舶姿態(tài)信息和環(huán)境干擾信息計算出船舶當前計劃航行路段，并解算出航跡偏差和航向偏差，然后根據偏差信息對計劃航向作修正，計算出船舶指令艏向角，并將其發(fā)給航向控制模塊。航向控制模塊根據船舶當前的羅經信號、舵角信號、艏搖轉速信號等，與指令艏向比較后，計算出艏向偏差，通過內部的航向控制算法，計算出指令舵角。

圖1 A型航跡控制系統(tǒng)基本組成

自動操舵儀處于航跡自動控制模式時，接收到電子海圖發(fā)送的航線計劃、艦位等信息后，會首先進入航跡啟動初始化階段，判斷計劃航線制定是否合理、是否能夠滿足船舶的操縱性能，根據船舶位置信息計算出當前船舶所處的航路段以及初始航跡偏差和航向偏差，判斷是否出現航跡或航向超差的現象。如果啟動初始化成功，則進入船舶正式航行階段，自動操舵儀控制船舶按照指定航線航行。航行結束后，船舶的艏向保持為最后航路段的計劃航向。

航跡控制系統(tǒng)包括等航向法和大圓航法。等航向法，又稱為墨卡托航法，即在墨卡托投影中，船舶沿著兩個航路點所在的直線航行。大圓航法指船舶沿著兩個航路點之間的最短航線航行。從電子海圖中接收到的計劃航線信息只是航路點信息，航行方法并非由其決定，而是由自動操舵儀決定的。

航跡控制算法是航跡控制系統(tǒng)的核心，分間接法和直接法兩類。直接法是建立在舵角與航跡偏差、偏航角速度等的聯系上，通過直接控制舵角來消除航跡偏差；間接法把航跡控制問題看成一系列航向保持與航向改變問題，將航跡控制分解成制導環(huán)與航向控制環(huán)，制導環(huán)根據航跡偏差給出指令航向，由航向控制環(huán)實現航向控制，從而完成航跡控制。

本航跡控制系統(tǒng)采用間接法，其原理如圖2所示。系統(tǒng)由三個閉環(huán)即舵角控制環(huán)、航向控制環(huán)和制導環(huán)組成。制導環(huán)將GPS或綜合導航系統(tǒng)的信息與計劃航向比較，獲取當前時刻的航跡偏差，通過航跡算法得到一個指令航向，并把這個指令航向發(fā)送給航向控制環(huán)以消除航跡偏差；航向控制環(huán)則將羅經采集的航向信息與制導環(huán)送來的指令航向進行比較，發(fā)出指令給舵角控制環(huán)以消除航向偏差；舵角控制環(huán)驅動舵機，使實際舵角與指令舵角一致，從而實現了船舶的航跡控制。

圖2 間接法航跡控制原理圖

2 航跡控制系統(tǒng)軟件仿真

航跡控制系統(tǒng)仿真平臺的主要目的是用于航跡控制系統(tǒng)研發(fā)、調試和系統(tǒng)演示。采用的開發(fā)軟件為Matlab 2013b和Visual C++ 2013。應用Matlab 2013b中的simulink工具建立船舶模型、舵機執(zhí)行機構、數據觀測模塊，應用Visual C++ 2013實現航跡控制算法的設計，并通過混合編程技術[3]，被Matlab的航跡控制模塊調用。

圖3 航跡控制系統(tǒng)仿真平臺

如圖3所示，航跡控制仿真系統(tǒng)主要由四部分組成：船舶模塊、舵機執(zhí)行模塊、航跡控制模塊和航線觀測模塊。船舶模塊能夠準確地模擬出IEC62065中三類船舶的運動過程，以及外部環(huán)境因素對船舶運動的干擾作用，如浪、流、傳感噪聲等。通過接收外部模塊的控制指令實時校正船舶航行位置和姿態(tài)，控制指令主要包括推力指令、數字舵角指令。采用的船舶運動模型見式（1）。式中，u、v、r分別表示船舶的前進速度、橫移速度以及艏搖轉速，X′表示船舶推進力，表示船舶實際舵角。

舵機模型[4]是為了模擬更加真實的船舶操舵情況，建立的電動模擬舵機數學模型設置了自操舵死區(qū)和操舵速度功能。

航跡控制器通過S函數設計內部的執(zhí)行過程。通過VC++設計核心的航跡控制算法函數Controller，然后通過S函數調用。航跡控制器根據制定的計劃航線計算出指令舵角，然后發(fā)送到船舶模塊。航跡控制模塊的基本算法結構如圖4所示。

圖4 航跡控制模塊算法結構圖

航跡控制模塊主要包括航跡控制和艏向控制。航跡控制以航行制導算法為主，根據計劃航線的幾何特點分為直航制導算法和轉彎制導算法，并通過航線決策模塊進行算法切換。為了抑制海洋中定常流以及非定常流[5]干擾的影響，增加了海流校正算法模塊。艏向控制以操舵控制為主，基于最優(yōu)控制理論，得出艏向、轉向速率、舵角以及舵角變化率耦合最優(yōu)算法。狀態(tài)觀測模塊用于海浪濾波，優(yōu)化艏向數據，進而提高操舵性能，避免無效操舵。為了提高算法的適應性，增加了參數辨識算法[6]，能夠在線辨識船舶參數，實時校正控制參數。根據實際經驗和船舶模型分析，發(fā)現橫移運動是影響艏向控制穩(wěn)定性的因素之一，因此增加了橫移補償算法。

航線觀測模塊具有航線規(guī)劃以及航行位置監(jiān)視功能。航線規(guī)劃功能除了能夠顯示出國際標準IEC62065規(guī)定的四個試驗場景外，還具備自定義航線顯示功能。航行位置監(jiān)視能夠實時動態(tài)地顯示船舶位置狀態(tài)，便于直觀地了解航跡控制過程。

圖5 試驗場景三航跡偏差和航向偏差波形

以IEC62065中給出的試驗場景三為例，來驗證航跡控制系統(tǒng)的控制效果。如圖5所示，在無流干擾的情況下，航行偏差變化平穩(wěn)，最大航跡偏差為27.43 m，最大航向偏差為3.09°。在1 620 s處開始加入流速5 kn、流向50°的橫流干擾，之后航行的最大航跡偏差為19.26 m，最大航向偏差1.65°，試驗數據符合國際標準的要求。大量數據分析結果表明，該航跡控制系統(tǒng)能夠有效抑制海流的干擾。圖6是航行過程中船舶實際舵角的波形圖，可以看出舵機操舵次數較少，因此能夠有效減輕舵機磨損，提高舵機的使用壽命。

圖6 試驗場景三船舶實際舵角的波形

3 結論

以基于電子海圖和自動操舵儀的航跡控制系統(tǒng)作為主要研究對象，以A型系統(tǒng)為例，研究了系統(tǒng)的原理、實現方法，并通過Matlab進行了仿真研究，結果表明：搭建的航跡控制系統(tǒng)能夠有效控制船舶按照指定的航線航行，航跡超差和航向超差均較小，滿足IEC62065對航跡控制系統(tǒng)性能的要求，且打舵次數少，操舵性能好，能夠有效減少頻繁操舵對舵機使用壽命的影響。

[1]潘進,張韶華,尹國龍,等.基于PC/104的航跡自動舵研究與設計[J].船舶,2013,(1):70-72.

[2]FOSSEN T I.Guidance and control of ocean vehicles[M].New York:Wiley,1994.

[3]楊樹仁.船舶航跡控制算法的研究與仿真[D].吉林大學,2014.

[4]YANG SHUREN,WANG HONGBO.Study of efficient ship heading controller[C].Electrical and Control Engineering (ICECE),2011:4991-4994.

[5]杜堯.基于自抗擾的船舶航跡控制研究[D].大連海事大學,2014.

[6]CAO B,WANG H,CAI H,et al.Adaptive fuzzy controller for track-keeping in autopilot simulator system[C].Electric Information and Control Engineering (ICEICE),2011 International Conference on.IEEE,2011:2933-2936.