船舶自動舵航向保持與航跡保持模式的比較研究

◎ 李磊 謝涌 儲凌劍 中國衛星海上測控部

近年來，航運事業的不斷發展對船舶航行安全性和經濟性的要求不斷提高，對自動舵控制系統的控制性能要求也越來越高。目前，自動舵操控船舶主要以航向保持和航跡保持兩種模式為主，無論何種模式，均有效減輕了航海人員的勞動強度，同時在某種程度上提高了船舶航行的操縱性、安全性和經濟性。

航跡保持模式是繼航向保持模式之后研發出來的，其控制性能更優，自動化程度更高，能夠實現自動轉向功能。從實現“無人駕駛”這一終極目標考慮，航跡舵的使用普及將是未來船舶操控技術發展的大勢所趨。因此，突出使用航跡保持模式的優勢，推進航跡舵在航海中的使用普及逐步成為當前航運事業的一大焦點。

1.自動舵及其工作模式

自動舵又稱自動操舵儀，是船舶系統非常重要的設備，也是實現船舶運動控制的關鍵設備，在一定航行條件下（如：大洋航行）能夠自動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定航向或設定航線上航行。近年來，隨著自動舵設計技術逐步成熟，國內外市場出現了多種成熟的航向舵、航跡舵產品，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實際情況設定計劃航向值，自動舵通過控制系統結合風流壓差情況，不斷調整航向使船舶在計劃航向上行駛。該模式要求控制系統給出控制舵角δ克服外界環境的干擾和船舶六自由度運動復雜性的特點，盡可能使航向φ維持在設定航向φr上。如圖1，該模式控制舵角δ是航向誤差Δφ=φr-φ和轉首角速度r的函數：

圖1 航向保持工作模式

這個函數關系中，如果δ與Δφ和r成線性關系的話，就能夠設計出比例-微分（PD）舵，這是一種已得到廣泛應用的控制律。

1.2 航跡保持模式

航跡保持模式是繼航向保持之后設計出來的，自動舵通過控制系統綜合考慮風流壓、偏離航線距離、轉向點等情況，不斷調整航向使船舶保持在計劃航線上行駛。該模式要求控制舵角克服外界環境的干擾和船舶本身六自由度運動復雜性的特點，使船舶的運動軌跡盡可能地維持在設定航跡線上。顯然，該模式的控制律更為復雜，既要消除航向誤差Δφ=φr-φ，還要消除實際船位偏離設計航跡線的航跡誤差η，另外需要說明的是，在這種模式下，φr是指設定航跡線上與實際船位距離最近點的切線方向。如圖2，控制舵角δ應該是航向誤差Δφ=φr-φ、轉首角速度r和偏航距離η的函數：

圖2 航跡保持工作模式

眾所周知，人的智能是任何自動化裝置都無法比擬的，自動舵這兩種工作模式也是如此。無論設計者如何費盡苦心，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：航向保持模式無法實現自動轉向，而航跡保持模式在自動回歸到計劃航線期間，無法自動識別危險情況。

如圖3，航跡保持模式下，b船在1位置處偏離計劃航線較遠，控制系統給出控制指令使b船轉向到2處位置，如果這時在航線左側有圖中c船（常與本船形成對遇局面），那么由于兩者逼近速度非常快，即使短短幾分鐘時間也很有可能構成緊迫局面甚至發生碰撞事故。

圖3 會船

通過以上分析可知，自動舵的核心在于控制律，即尋求確定函數f1、f2的方法并得到最終結果。目前，絕大多數自動舵均具備航跡保持這一控制技術，但該項技術依然不夠成熟，國內外學者一直致力于嘗試應用各種不同的控制算法，以各自優勢彌補對方不足。盡管如此，對于船舶應用而言，目前航跡舵的發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省人力、物力、財力的作用，更能進一步達到提高海運事業經濟效益的目的，也將使“無人駕駛”技術更快走向成熟。

2.自動舵兩種模式間的比較研究

簡單的船舶自動舵控制系統如圖4所示，其中R為某一工作模式下設定的控制量，如：航向保持模式時，R是指設定航向值；航跡保持模式時，R則代表處于激活狀態的計劃航線與船位最近處的切線的方向。C是通過反饋傳感器進行實際測量得到的船舶航行出來的與R相對應的量的實際值，如：航向保持模式時是指船舶實際航向。Δ=R-C是在自動舵模式下控制量的設定值與測量值的差，用來作為控制器的輸入。以航向保持控制器為例，它是根據控制量航向的偏差大小設計一個控制律，通過控制輸出命令舵角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，同時也是被動對象的輸入。

圖4 自動舵控制器系統圖

2.1 從本質層面上進行比較

船舶自動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航跡進行高精度控制的場合，該控制方案基本還停留在仿真階段，使用起來存在不少問題，且成本較高，即使成型后使用也會很少。因此，接下來將以航跡舵分離控制方案為例對兩種基本功能模式進行比較。

首先，對分離控制自動舵設計方案進行詳細介紹。如圖5，整個方案把控制分成相互嵌套的三個控制環，外環又稱航跡環，將GPS定位的船位數據與計劃航線比較獲得偏離航線距離η（k）（以下稱為“偏航距離”），通過航跡控制算法得到一個命令航向φr（k）給航向控制環，從而引導船舶向著消除或者盡量減少偏航距離的方向航行；中環又稱航向控制環，將羅經測得的船舶實際航向φ（k）與航跡控制環給出的命令航向φr（k）比較產生誤差信息Δφ（k）=φr（k）-φ（k），通過航向控制算法得到一個控制舵角δr（k），通過伺服機構執行控制舵令，使船舶向減少航向偏離誤差的方向操縱；內環又稱舵角控制環，通過舵角傳感器把伺服舵機實際實施的舵角δ（k）的大小反饋給控制舵角輸出，與控制舵角δr（k）進行比較，從而驅動伺服舵機使舵角度δ（k）和中環給出的控制舵角δr（k）盡可能保持一致，最終操縱船舶航行在計劃航線上，實現航跡保持。

圖5 航跡舵分離控制設計方案

通過以上分析并結合上部分對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模塊獨立設計，這也是自動舵的發展趨勢，可根據用戶要求,選配航跡控制模塊，易于實現功能擴展。而在航向控制模塊的基礎上增加航跡偏離誤差反饋這一閉合環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），最終實現航跡保持這一功能。就是說，在航向保持模式下，命令航向φr（k）是一個定值，是駕駛員在自動舵設置面板上所設置的值；而在航跡保持模式下，命令航向φr（k）卻是一個不停變化的值，是通過計算計劃航線上與船位最近點的切線方向所得到的。

航跡舵相當于所設置的參考航向不停改變著的航向舵，而這個參考航向就是通過外環（航跡控制環）對航向偏離誤差、轉首角速度、偏離航線距離計算而得到的。使用一個不停變化的參考航向與使用一個設定不變的參考航向值相比，顯然就需要更頻繁的要求執行舵角或者甚至更大的幅度，這樣勢必會對舵機伺服機構造成不必要的沖擊損耗。但是在自動舵設計時，設計者分別引入表征航向均方誤差的指標IT和舵角均方值的指標JT：

其中，IT代表控制精度，JT代表控制導致的舵機損耗，這樣通過分離控制方案中三大組成閉環的相互協調合作使這兩項指標以小為好，這樣既能夠達到盡量較小對舵機的損耗的目的，同時提高船舶控制性能。

2.2 從實際應用上進行比較

結合上述分析，我們知道自動舵核心是設計控制器所使用的控制算法，但任何控制器的設計都是為了投入實際應用，航海人員更多的不會關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勢所在以及不可避免的缺陷、能否實現在船舶操縱方面擺脫體力勞動減少人員配置的最終目的。因此，本文通過實船實驗，從利用自動舵進行船舶操縱實踐的角度分別對航向保持和航跡保持兩種模式各自的性能情況進行對比評價，并結合船舶駕控技術發展趨勢對其做進一步研究。

以下是某輪在某航次中使用自動舵分別在航向保持和航跡保持模式下進行實驗得到的實際數據，如圖6。

圖6 航向舵及航跡舵實驗

其中航向舵實驗于2020年4月13日下午14:00 開始進行，當時海況：風6級，浪4級，船速16.0節，在自動舵控制面板上設置船舶航向217°。航跡舵直線段實驗于2020年4月13日晚18:30開始進行，當時海況：風6級，浪5級，電子海圖上設計航線的航向為180°，實驗期間船速變為16.9節。

比對圖中數據可以看出，自動舵在航向保持模式下控制船舶運動的性能較航跡保持模式下差，具體分析如下：

（1）穩定性。使用航向舵時，其走過的航跡是由曲折的曲線連接而成，就會造成航行過程中穩定性較差，導致航程的不必要增加；而使用航跡舵時，船舶走過的航跡嚴格壓在計劃航線上，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）準確性。從目前現狀看，航向舵控制船舶的準確性已經達到船員在大洋航行時對其的一般要求，然而從長遠發展角度考慮“無人駕駛”的實現，提高船舶控制系統的準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，自動舵只負責盡量把船舶航向把定在設定值，至于偏離設計航線的遠近完全靠駕駛員的航行操作來控制；在航跡保持模式下，這一缺點得到了充分彌補，它能夠更精確地控制船舶運動幾乎完全消除偏離航線距離，從而提高自動舵控制系統的準確性。這一性能的提高，一方面使船舶的航行充分考慮了在設計計劃航線時所考慮的安全因素（如水深淺點、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。通過實驗記錄可以看出，在影響船舶操縱的外界因素基本不變的情況下，使用航跡舵時船速達到16.9節，較航向舵優，這一點保證了航跡舵操縱船舶的快速性。

（4）節能經濟。對于船舶運動控制系統的節能性、經濟性，主要考慮兩方面問題：（1）主機負荷是否增加，導致主機輸出功率提升；（2）控制器要求用舵是否過頻，或者用舵幅度是否過大。

在開始進行航跡舵實驗時，初期發現這種模式下控制器給出的舵角幅度偏大，但經過長時間（持續使用4個小時）使用航跡舵，即在整個航跡舵系統運行穩定后，并不再存在這一問題。另外，在航行實驗過程中，除了外界風浪對船體包括舵設備的沖擊影響外，主機轉速基本穩定。

接下來結合圖7，對（2）中提到的問題進行分析：

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、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航向變化震蕩曲線較航向保持時穩定，這較大程度上能夠說明其穩定性高。另外，也較凸顯出了航跡舵能夠減少不必要航程的優點，通過減少航程同時也提高了船舶的運營經濟效益。

（5）簡單。由于航海歷史發展原因，船員和設計者一再提倡“船舶設備越簡單越可靠”的原則，對于自動舵控制器來說同樣適用。關于這一點，多數船員普遍認為使用航跡舵操作復雜，沒有使用航向舵可靠、放心，但如果仔細糾察在航跡舵模式下的操作時我們會發現，其實相對航向舵來說，僅僅多了一步：就是在大洋中如果由于臨時原因需要違背計劃航線改變航向時，必須先把航跡模式切換成航向模式，才能夠進行改變航向，僅僅多了這一步而已。所以，關于船員對其的認識，本文認為更多的原因在于習慣做法問題上。

3.結論與展望

本文對船舶自動舵兩種工作模式進行了較全面的比較研究，理論與實踐相結合，討論了自動舵兩種工作模式所使用控制器的性能特點，并結合航向舵實驗，突出自動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勢的結論。但在船舶自動化逐步走向“無人駕駛”的過程中，這個領域仍存在很多問題，如：在不同航行階段自動舵、手操舵、應急舵之間轉換使用優先權問題，自動避碰技術實現后的普及問題，自動靠離泊技術實現后的推廣問題等，在解決這些問題時都不可避免地會遇到類似航跡舵普及所面臨的問題，這也是本文寫作的目的所在，希望能夠為這方面的研究起到拋磚引玉的作用。