基于PC/104的航跡自動舵研究與設計

潘 進 張韶華 尹國龍 陳皆潞

（上海航海儀器有限責任公司 上海200136）

0 引 言

海上航行時，由于風、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。這樣就需要駕駛人員對船舶位置及航向不斷進行調整，使船舶盡可能地在計劃航線上航行。為了使船舶駕駛人員能夠從這種繁復勞動中解脫出來，使用航跡自動舵，實現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、生產長期以來都是基于PID控制的機電產品［1］，自適應或者智能航向舵及航跡舵還未形成定型成品［2］。雖然國內外眾多學者對自動操舵儀的控制策略進行了研究［3-4］，但真正形成產品的很少。本文在上海航海儀器有限責任公司現有的航向數字自動操舵儀的基礎上進行研究，已經形成一套航跡自動操舵儀的原理樣機。

1 航跡自動舵系統原理

航跡自動舵由三個閉環回路構成：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（經度和緯度）與電子海圖發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采集的實際航向與指令航向相比較，根據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回的實際舵角值與指令舵角相比較，驅動舵機使舵角反饋值與指令舵角相一致，從而實現船舶的航跡控制，如圖1所示。

圖1 航跡控制原理框圖

從圖1中可以發現，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。這樣的系統結構便于系統的維護與升級，符合駕駛人員的邏輯思維，尤其有利于船舶駕駛安全。當高級別的操舵功能出現故障的時候，低級別的功能卻依然可以正常使用。

2 硬件結構及實現

傳統自動操舵儀設計采用大量模擬裝置和機電設備，結構復雜，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，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字模式，采用研祥公司生產的低功耗嵌入式PC/104工業計算機為核心，以單片機作為外圍支持，組成多CPU系統，并且采用雙機熱備份，提高系統的可靠性。同時，由于數字化的數據傳遞，大大減少了信號線纜的需求。

PC/104工業計算機負責復雜算法、數據接收以及協調各模塊之間的工作，單片機負責各種數據采集與發送，從而實現模塊化的設計，方便安裝和維護。采用液晶顯示屏顯示數據及工作狀態，采用DOS操作系統，軟件主要以C語言為主進行編程，能夠實現航跡、航向、隨動、遠程應急和本地應急操舵功能，以及系統報警、舵機報警等報警功能，同時還具有參數設置、調光等多種功能。其硬件功能及結構如圖2所示。

圖2 航跡自動舵硬件組成框圖

3 軟件設計與實現

軟件設計采用自上而下的模塊化設計方法，根據軟件需求報告制定軟件詳細設計，細化為顯示模塊、中斷處理模塊、通信模塊、定時模塊、按鍵處理模塊、報警模塊、數據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各形成一個寬度為ER的帶狀區域，此區域可稱為航跡允許偏差帶。對于不同的航跡保持精度，船舶可以通過調整偏差帶ER來實現。

如果船舶航行在偏差帶內，可以認為船舶的實際航行精度已滿足了計劃航行精度的要求。一旦發現船舶越出偏差帶（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定，達到消除航跡偏差的目的。

根據上述原理可知：航跡控制系統中的輸入參數是航跡偏差ER，而輸出參數為指令航向角，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與電子海圖相連接，及時接收電子海圖發送過來的航線計劃，同時通過串口接收GPS數據信息，以便實現航跡功能。

3.2 航向控制

航向功能中的實際航向信息來自于電羅經或者磁羅經。指令航向信息采用鍵盤和旋鈕來調節。使用鍵盤設定到航向指令設定狀態，采用航向專用旋鈕來設定大小，初始值為當前羅經航向。

航向控制算法采用參數自整定模糊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，設定門限值。

3.4 應急操舵

當以上功能都不起作用的時候，可以采用應急操舵。應急操舵分為遠程和本地，既可以在駕駛臺操舵，也可以在舵機艙進行操舵。應急操舵在結構設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動液壓舵機。

軟件部分除了對必要的數據信息處理以及控制算法進行了詳細設計以外，還充分體現了人機友好的思想，所見即所得。界面上顯示了操舵人員想要的所有數據系統工作狀態。除此之外，軟件還設計了系統故障聲光報警，根據狀態采集和數據采集板反映的信息，自動進行系統診斷，不僅可以提醒相關人員盡快進行修理，而且還快速制定了故障模塊，快捷方便。為了適應不同光照下的航行，尤其是黑夜里的航行，顯示軟件還設計了16級的調光環節。

考慮到船舶自身以及海洋環境的不同，軟件還設計了“裝載”、“海況”和“舵角比例”選項。操作人員可以根據船舶自身的吃水深度來選擇不同的“裝載”，根據風、浪、流的實際情況來選擇不同的“海況”，以及通過“舵角比例”來調節不同的航向精度。

4 樣機測試

研制出來的航跡自動操舵儀樣機在仿真系統中進行模擬仿真。仿真系統可以選擇不同的船模、不同的海況和不同的航行區域，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定航線計劃，偏差在100 m之內。當電子海圖中當前航線改變時，航跡自動操舵儀能夠及時修改當前航向以跟蹤最新的航線計劃。

5 結 論

本文在現有航向自動操舵儀的基礎上設計了一種基于PC/104的數字式航跡自動操舵儀，本次設計是對航向自動舵功能的拓展，并且經過系統仿真，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研究與設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，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的研制［J］.中國慣性技術學報，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］熊遠生，俞立，徐建明.數字式航向航跡自動操舵儀的設計與實現［J］.中國慣性技術學報，2009，17（2）：175-178.

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