一種基于GPS的自動航向控制系統(tǒng)＊

董沛然 張 浩 辛愛學 王 釗

（海軍704廠 青島 266109）

1 引言

現(xiàn)代的GPS接收機除了提供位置數(shù)據(jù)外，還可提供日期、時間、航向和航速等參數(shù)［1］，根據(jù)這些參數(shù)可以對船舶的航路進行規(guī)劃，實時控制舵角變化以完成自動航向控制。船舶在開闊水域航行時，可以預設(shè)好多個航路目標點，本系統(tǒng)即可按照目標點控制船舶自動航行。

2 GPS數(shù)據(jù)讀取

2.1 GPS模塊

GPS模塊使用GARMIN的12通道GPS15L接收機，同時可以跟蹤最多12顆GPS衛(wèi)星，從而能夠快速定位，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次，性能可以滿足導航的靈敏度需求和動態(tài)需求。數(shù)據(jù)接口采用異步串行數(shù)據(jù)輸入輸出［2］，數(shù)據(jù)格式使用美國國家海洋電子協(xié)會的NMEA 0183ASCII碼接口協(xié)議［3］。

2.2 GPS數(shù)據(jù)格式

采用推薦定位信息（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data）格式［4］，該格式定義見表1。

2.3 GPS數(shù)據(jù)處理

讀取GPRMC數(shù)據(jù)后，分別對第＜3＞項緯度，第＜5＞項經(jīng)度，第＜7＞項速率，第＜8＞項航向單獨讀取并存為字符串變量和double型變量，作為下一步流程航向控制的參數(shù)［5］。

表1 GPRMC數(shù)據(jù)格式

3 自動舵控制

航向控制實時更新最新航向變化，從而推算目標航向，在接口單元，建立一個獨立線程。該線程完成目標航向計算，目標舵角計算，打舵過程的功能。

圖1 自動舵控制原理

在航向改變過程中，自動舵的舵角并不只是隨航向角的偏差而變化，而是和航向差變化的速率以及航向偏差對時間的積分有關(guān)［6］。由圖1舵角與航向的關(guān)系為

其中K＊＝K·L／μ，T＊＝T·L／μ。

式中L和μ分別是船長和航速，由以上公式可得，當船長，船性能不變Kp與航速平方成反比。

Kd與航速的平方成反比。

若忽略首搖運動的自然頻率ωn和阻尼系數(shù)ζ，舵角可以簡化為

4 航向控制

4.1 目標航向算法

如圖2所示，當前航向Dir用實線表示，目標航向Tar用虛線表示，R＿dir指示向右偏轉(zhuǎn)的航向，L＿dir指示向左偏轉(zhuǎn)的航向。

圖2 目標航向算法

當Tar＜Dir時候：

所有統(tǒng)計計算均用SASv 9.13統(tǒng)計分析軟件進行。定量數(shù)據(jù)采用t檢驗、ANOVA或Wilcoxon秩和檢驗。定性數(shù)據(jù)用χ2檢驗、Fisher精確概率、連續(xù)校正χ2檢驗、或Wilcoxon秩和檢驗，考慮到中心或其他因素的影響采用CMHχ2檢驗。對于生存數(shù)據(jù)采用，Log‐rank檢驗。主要指標的兩兩比較，采用95%置信區(qū)間（95%CI）法，計算雙側(cè)95%CI。全部的假設(shè)檢驗均采用雙側(cè)檢驗，取α=0.05。

當Tar＞Dir時候：

計算完成比較R＿dir及L＿dir大小，判斷航向改變的方向和舵角的大小。

4.2 舵角控制優(yōu)化

當目標航向計算完成，經(jīng)上述公式得到舵角后，舵角量應(yīng)經(jīng)過舵角限定算法，防止舵角超出舵角控制范圍。

由于舵機控制及舵的剎車老化，造成了在達到目標舵角時刻斷開舵機繼電器不能及時停止現(xiàn)象，而且左右舵由于慣性問題沖出的舵角大小不等，所以引入慣性系數(shù)概念，讀取舵角信息的同時計算舵角變化率，當舵角變化速度高的時候，停舵提前量大，反之，若舵機繼電器吸合時間短，舵變化速率慢的情況下，停舵的提前量較小：

經(jīng)過一定時間的調(diào)試，當K值達到一定的時候，可以使得舵角精度達到±0.3°之間。

4.3 航路規(guī)劃及執(zhí)行

能按計劃導航點順序航行，在計算L＿dir、R＿dir前更新目標航向。

程序運行時，依次設(shè)置目標點，按順序記錄在內(nèi)存中，程序裝載第一個目標點位置信息，并由當前GPS經(jīng)緯度計算與目標導航點的航向，更新目標航向，目標航向每秒更新一次，使船按照目標航跡航行。當?shù)竭_目標點時，程序會自動切換下一目標點，啟動新的航向控制［7］。

4.4 航向數(shù)據(jù)修正

如圖4所示，當海浪較大時，會產(chǎn)生大量海浪和船首搖擺等噪音向量，這些噪音向量與真實航向的疊加，航向數(shù)據(jù)呈正弦型在真實航向周圍變化，不能如實反映航向，影響到航向保持功能。

圖3 根據(jù)當前GPS經(jīng)緯度計算與目標導航點的航向

圖4 海浪和船首搖擺對航向的影響

c＿PLF1（k）＝［c（k）＋c（k－1）＋ … ＋c（k－FIR＿PLF＿Len＋1）］／FIR＿PLF＿Len

FIR＿PLF＿Len為第一級FIR濾波器長度，即當前時刻輸入數(shù)據(jù)c（k）連同前面（FIR＿PLF＿Len－1）個數(shù)據(jù)求均值的數(shù)據(jù)總數(shù)。

c＿PLF1（k）為第一級濾波輸出；

再用IIR第二級低通濾波平滑：

Delta＿Crt＝c＿PLF1（k）－c＿Avg；Delta＿Crt為當前誤差，即最新輸入值－上次紀錄平滑后取值。

Delta＿Avg＝ Delta＿Crt＊ p＋ （1－ p）＊ Delta＿Avg；對誤差進行平滑，當前誤差Delta＿Crt中含有大量噪聲，因此乘p＝0.2，而誤差均值Delta＿Avg中可認為已含有較小噪聲，因此乘（1－p）＝0.8；

c＿Avg＝c＿Avg＋ Delta＿Avg；經(jīng)平滑后 Delta＿Avg可以認為含有較小噪聲，而真正含有航向角變化需累加到角度中。

濾波流程圖如圖5所示，經(jīng)Matlab仿真輸出如圖6和圖7所示。

圖5 濾波流程圖

圖6 航向仿真圖

圖7 航向差（噪聲）仿真

橫坐標為時間，單位（s）。波動較大線條為航行數(shù)據(jù)，波動較小線條是經(jīng)濾波后的航行數(shù)據(jù)［8～9］。由圖可以看出，真實航行紀錄線條很粗，每秒航向差有可能超出10°以上，對程序來說，可能造成這一秒判斷打左舵，下一秒判斷打右舵，嚴重影響航向控制參數(shù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波器后，航向差縮減到2°以內(nèi)，數(shù)據(jù)平滑，已能符合程序要求。

5 結(jié)語

GPS的高精度位置信息和運動要素為有效地控制船舶的運動，使船舶航行在計劃航線上提供了可能［11］。

本文僅涉及到船舶自動航向控制和自動舵的控制實現(xiàn)，該系統(tǒng)在實際使用中還涉及到很多相關(guān)的領(lǐng)域，如電子海圖等，這些相關(guān)領(lǐng)域還有待今后進一步研究。

［1］鄭道昌.船舶自動航行系統(tǒng)的研究［J］.中國航海，2002（2）：18－21.

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［3］陳姚杰，紀業(yè)新，陳小歡.GPS在智能電動車自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用［J］.中國科技信息，2010，19（56）：126－127.

［4］NMEA，0183協(xié)議.

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［7］戴忠達.自動控制理論基礎(chǔ)［M］.清華大學出版社，1989：522－530.

［8］清源計算機工作室.MATLAB基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：72－81.

［9］樓順天，于衛(wèi).基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］.西安電子科技大學出版社，1998：90－102.

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［11］李洪濤，許國昌，薛鴻印.GPS應(yīng)用程序設(shè)計［M］.科學出版社，1999：19－20.