（控制理论与控制工程专业论文）船舶航迹控制技术研究.pdf

， m， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：缘6 纠 日期：易o l 舞弓月1 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：砌 日期： 乃l o 年弓月c 1 日 导师( 签字) ：身劾哩 ， 年弓月c 7 日 广 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 本论文主要对船舶航迹控制系统展开研究。船舶是借助螺旋桨的推力和 舵力来保持或改变航向和航速的。用于船舶操纵的自动舵是船舶控制系统中， 不可缺少的重要设备，其性能直接影响着船舶航行的操纵性和经济性，它与 船舶航行安全、能源节约密切相关，很多专家学者在这一领域进行着深入的 研究。因此操舵系统是一个重要的控制系统。 航迹控制对于长时间航行的船舶来说是十分必要的。本文结合国家计划 内项目的相关课题，主要研究了直接式航迹控制系统。论文首先简要介绍了 间接式与直接式航迹控制的设计方案，分析了航迹规划的主要功能，针对墨 卡托海图上的恒向线航法，研究了卫星导航船位推算、方位和航程的计算、 航迹偏差计算、航迹偏差计算中参考点的选取以及航迹偏差形成的一般方法 和解析方法。 船舶操纵运动数学模型的准确性直接影响着航迹控制系统的精度。并且 由于风、流、海浪对船舶运动会产生直接影响，因此论文在建立了船舶非线 性与线性数学模型的基础上，对风、流、海浪的干扰也进行了建模，并对海 浪干扰力( 力矩) 进行了仿真分析。因为船舶导航系统的定位精度与航迹控制 系统的精度密切相关，所以论文在分析了各种单一导航系统的基础上，应用 卡尔曼滤波技术对g p s s i n s 组合导航系统进行了建模与仿真研究。仿真结 果表明，组合导航系统误差振动幅度小，定位精度高，能够满足船舶航迹控 制的精度要求。 直接式航迹控制与航向控制是密切相关的，因此本文在搭建了直接式航 迹控制系统s i m u l i n k 仿真框图的基础上，对数字p i d 航向自动舵进行了计算 机仿真分析，仿真结果表明自适应p i d 控制相对非自适应控制而言具有良好 的动态与稳态性能，控制效果良好。最后，论文对直接式船舶航迹控制系统 进行建模与仿真，仿真结果表明神经网络航迹控制器具有很好的鲁棒性，航 向航迹误差很小且具有良好的航迹跟踪精度。 关键字：自动舵；航迹控制；g p s s i n s , p i d 控制；神经网络 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h es h i pt r a c k c o n t r o ls y s t e m t h es h i p sm a i n t a i no r c h a n g ec o u l s ea n ds p e e db yu s i n gp r o p e l l e rt h r u s tf o r c ea n dr e d d e rs t r e n g t h n l ea u t o p i l o t t h a tu s e df o rs h i pc o n t r o l si se s s e n t i a l l yi m p o r t a n te q u i p m e n ti ns h i p p i n gm a n e u v e r i n g i t s p e r f o r m a n c ei n f l u e n c e sm a n e u v e r a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fs h i pn a v i g a t i o nd i r e c t l y a n di t r e l a t e st on a v i g a t i o ns a f e t ya n de n e r g yc o n s e r v a t i o nc l o s e l y m a n ye x p e r t sd oal o to f r e s e a r c h e sr e s e a r c ho nt h i sd o m a i n t h e r e f o r et h es t e e r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o n t r o l s y s t e m ，n l et r a c kc o n t r o li sn e c e s s a r y 髂l o n ga sl o n g t i m en a v i g a t i o ni sc o n c e r n e d n l ea r t i c l e w h i c hm a i n l ys t u d i e st h ed i r e c t t r a c kc o n t r o ls y s t e m , i sc o n c e n t r a t e do nt h en a t i o n a lp l a n e d p r o j e c t f i r s t l y , i ti n t r o d u c e sd e s i g np r o p o s a l so f i n d i r e c t - t r a c kc o n t r o ls y s t e ma n dd i r e c t t r a c k c o n t r o ls y s t e mb r i e f l y t h e n ，i ta n a l y z e sm a i nf u n c t i o no ft r a c kl a y o u t i nv i e wo fl o x o d r o m e n a v i g a t i o no fm e r c a t o rc h a r t ，i ts t u d i e ss h i pp o s i t i o nc a l c u l a t i o no fs a t e l l i t en a v i g a t i o n ， p o s i t i o na n dv o y a g ec a l c u l a t i o n ，t r a c kw a r pc a l c u l a t i o na n dt h es e l e c t i o no fr e f e r e n c ep o i n t n 圮p a p e ra l s or e s e a r c h e st h eg e n e r a la n da n a l y t i cm e t h o da b o u tt h ef o r mo ft r a c kw a r p 砀ea c c u r a c yo ft h es h i pm o d e li n f l u e n c e st r a c kc o n t r o ls y s t e m sp r e c i s i o nd i r e c t l y 砀e w i n d ，c u r r e n ta n ds e aw a v ed i s t u r b a n c e sc a np r o d u c es t r o n gi n f l u e n c eo ns h i ps a i l i n g t h e r e f o r e ，t h ew i n d ，c u r r e n ta n ds e aw a v ed i s t u r b a n c e sa r ea l s om o d e l e db a s e do nt h e f o u n d a t i o no ft h es h i pl i n e a ra n dn o n - l i n e a rm o d e l t h e n ，i tc a r r i e so nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i s o ft h es e aw a v e sd i s t u r b e df o r c e ( m o m e n t ) s i n c et h es h i pn a v i g a t i o ns y s t e m sa c c u r a c yi s c l o s e l yr e l a t e dt ot h ep r e c i s i o no ft r a c kc o n t r o l ，g p s s i n si n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e mi s m o d e l e da n ds i m u l a t e db yu s i n gk a l m a nf i l t e rt e c h n o l o g ya f t e re a c hs i n g l en a v i g a t i o ni s a n a l y z e d 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e md e c r e a s e se r r o r v i b r a t i o na n di m p r o v e sn a v i g a t i o np r e c i s i o n i tc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft r a c kc o n t r o l s y s t e m 1 1 1 ed i r e c t - t r a c kc o n t r o ls y s t e mi sr e l a t e dt oc o u r s ec o n t r o lc l o s e l y t h e r e f o r e t h ep a p e r c a r r i e so ns i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ed i 菩t a lp i da u t o m a t i cc o u r s er u d d e rb a s e do nt h e f o u n d a t i o no ft h es i m u l i n ks i m u l a t i o nd i a g r a mo ft h ed i r e c t - t r a c kc o n t r o ls y s t e m t h e 产 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea u t o a d a p t i v ep i dc o n t r o ls y s t e mh a sb e r e t s t a b l es t a t e p e f f o 删a n dc o n t r o le f f e c tt h a nt h en o n a d a p t i v eo n e f i n a l l y , t h ep a p e rc a r r i e so nt h e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es h i p sd i r e c t - t r a c kc o n t r o ls y s t e m 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h en e u r a ln e t w o r kt r a c kc o n t r o l l e rh a se x c e l l e n tr o b u s m e s s 1 1 伦c o u r s ea n d t r a c ke r r o rf i l es m a l la n dt h et r a c k i n ga c c u r a c yo ft h es y s t e mi sw e l l k e yw o r d s ：a u t o p i l o t ；t r a c kc o n t r o l ；g p s s i n s ；p i dc o n t r o l ；n e u r a ln e t w o r k ，i 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题的背景及意义1 1 2 船舶操纵控制技术发展2 1 3 国内外自动舵系统研究概况4 1 4 船舶定位与控制系统5 1 5 论文的主要内容安排6 第2 章船舶航迹控制系统构成方案研究7 2 1 航迹控制实现方案7 2 1 1 分离式控制方案7 2 1 2 综合式控制方案8 2 2 航迹控制计算方法9 2 2 1 航迹规划一9 2 2 2 航海计算算法研究9 2 3 引导问题1 2 2 4 航迹偏差形成方法研究一1 4 2 4 1 航迹偏差形成的一般方法研究1 4 2 4 2 航迹偏差形成的解析方法研究1 5 2 5 本章小结1 7 第3 章船舶航迹控制系统数学建模1 8 3 1 船舶运动坐标系的选择18 3 2 船舶运动数学建模19 3 2 1 船舶平面运动非线性数学模型的建立1 9 3 2 2 船舶平面运动线性数学模型的建立2 1 3 3 船舶干扰数学模型研究及仿真2 5 3 3 1 海流干扰数学模型2 5 3 3 2 海风干扰数学模型2 6 3 3 3 海浪干扰数学模型及仿真2 7 ( 。 ，l 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 3 4 操舵伺服系统的数学模型分析3 1 3 5 本章小结”3 2 第4 章船舶海上定位技术研究3 3 4 1g p s 导航定位系统”3 3 4 2 惯性导航定位系统3 4 4 3g p s s i n s 组合导航定位系统3 5 4 4g p s s i n s 组合系统数学模型3 7 4 4 1 组合系统状态方程3 7 4 4 2 组合系统测量方程3 9 4 4 3 组合系统状态方程和量测方程的离散化4 0 4 5 卡尔曼滤波在船舶定位中的应用4 1 4 6g p s s i n s 系统仿真实现4 3 4 7 本章小结4 5 第5 章船舶航迹控制策略研究及仿真4 6 5 1 直接式航迹控制系统建模4 6 5 2 数字p i d 航向自动舵的仿真研究与设计4 6 5 2 1p i d 自动舵概述4 6 5 2 2 数字p i d 自动舵的计算机仿真4 8 5 3 神经网络航迹自动舵控制研究5 3 5 3 1 人工神经网络应用基础5 3 5 3 2 多层前向感知器的b p 训练5 3 5 3 3 基于人工神经网络的船舶航迹跟踪控制仿真研究5 6 5 4 本章小结”6 4 结 论6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 0 致谢7 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 本论文是结合国家计划内项目的相关课题完成的。 船舶运动自动控制可分为三类情况【l 】：一是大洋航行自动导航问题，包 括航向控制、转向控制、航迹控制、航速控制等；二是拥挤水道航行或大洋 航行的自动碰壁问题，主要涉及多船会遇，碰撞危险度评估，多目标决策等； 三是港区航行及自动离靠泊问题，涉及船舶在浅水中的低速运动，风、浪、 流干扰相对增大，系统信息量增多，操纵和控制更趋困难。论文将主要研究 第一类问题中的航迹控制问题。 航迹控制是航海技术的重要组成部分。为了确保船舶安全、经济的航行， 航海人员必须时刻把握船舶每一时刻准确位置和航向，由船舶当前位置、航 向与给定计划航线计算出航向、航迹误差，根据航向、航迹误差给出舵角控 制指令，使船舶沿预定的计划航线航行。在船舶航迹控制过程中最重要的工 作是设计出性能良好的航迹自动舵。 操舵装置控制系统是指将舵令由驾驶室传至舵机动力装置之间的一系列 的设备，因此操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的 操纵性、经济性和安全性。如船舶在海上进行直航时，自动舵性能较好的船 不用频繁操舵即能维持航向；且航迹也较接近于要求的直线。而自动舵性能 较差的船则要频繁操舵以纠正航向偏差，它的航迹较为曲折，呈现“s 形。 这一方面增加了实际航程，相对降低了实际航速，另一方面由于校正航向偏 差而增加了操纵机械和推进机械的功率消耗。随着海上运输事业的日渐繁忙， 船舶的安全问题显得愈加突出，特别是对大型船舶来说，一旦出现事故，将 会产生非常严重的环境污染问题。船舶在大洋中航行时，风、浪、流等各种 干扰都使船舶偏离预定航线，过去由于技术条件的限制，自动舵仅有航向控 制功能，不能够精确地保证船舶沿预定航线航行。在此后的历史进程中，随 着科学的发展和技术、工艺的进步，自动舵的构造变化很大，电气式、电子 式、微型计算机化的产品相继问世。2 0 世纪8 0 年代g p s 系统开始提供商业 化服务，使航迹控制真正在自动舵中实现成为可能。 r 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 船舶自动舵的理论和实践研究一直备受关注。但是实际船舶系统具有不 确定性、非线性、非稳定性和复杂性、难于建立精确数学模型，甚至不能直 接进行分析和表示。而以神经网络控制技术为控制手段的第四代智能舵由于 不需要船舶的精确数学模型，具有强大的非线性映射能力。又由于它融合了 人类专家经验，在船舶运动控制中有很大优势，现已受到人们广泛关注和采 用【2 】o 1 2 船舶操纵控制技术发展 航向自动操舵仪的工作原理是：根据罗经显示的船舶航向和规定的航向 比较后所得的航向误差信号，即偏航信号，控制舵机转动舵并产生合适的偏 舵角，使船在舵的作用下，转向规定的航向。它是船舶驾驶中最早的也是最 成熟的自动化系统之一，按照控制算法发展可以划分为四个阶段p j ： 自动操舵仪的最早出现是在二十世纪二十年代，率先推出自动舵产品的 是德国的a n s e h u k z 和美国的s p e r r y ，他们分别于1 9 2 0 年和1 9 2 3 年独立研制 出了机械式的自动操舵仪，它只能进行简单的比例控制，用于低精度的航向 保持。但是它已经具有了p i d 舵的雏形，这就是第一代自动操舵仪。 五十年代，随着电子学和伺服机构的发展及应用，自动操舵仪的发展进 入了一个新的阶段。集控制技术和电子器件的发展成果于一体的第二代自动 操舵仪问世了，这就是p i d 舵。它的控制精度明显提高。缺陷是对外界变化 应变能力差。由于船舶运动特性随航速、载荷、吃水差及水深等因素变化而 变化，扰动特性也随海浪、风、流等海况变化而不同，因此，船舶航向控制 的数学模型与扰动模型具有明显的不确定性。常规p i d 自动操舵仪的设计以 确定性数学模型为基础，因为无法完全考虑这些变化，特别是常规p i d 自动 操舵仪采用人工调节死区的方法对海况变化进行处理，无法有效的处理高频 海浪干扰，而且还会降低航向精度，所以它不可能有很好的控制性能。随着 对船舶操纵性能要求的提高，常规p i d 自动操舵仪的不足日益显露，在客观 上提出了发展新的、更完善的、适应性强的自动舵系统的要求。而现代控制 理论和计算机技术的发展，使这种客观要求变为现实成为可能。 第三代是自适应自动舵。二十世纪六十年代末，随着计算机技术和自适 应理论的发展，瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵应用到实 2 f 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 船上，这就形成了第三代自动舵。7 0 年代初期，荷兰的j v a m e r o n g e n 等人， 就开始研究基于模型参考自适应控制的自适应舵。7 0 年代中期，瑞典 k j s t r o m 等人研究了基于自校正的自适应舵。1 9 7 4 年研制出原理样机，进 行了实船海上试验。7 0 年代末期，日本三菱公司研制了t o n a c 、p i l o t 型自适应舵。1 9 8 0 年在大型油轮上进行原理样机海上运行试验。8 0 年代以来， 国外许多厂家竞相推出自适应操舵仪作为代表产品投放市场，许多先进的船 舶都采用了自适应操舵仪。自适应舵在提高控制精度、减少能耗方面取得了 一定的成绩，但物理实现成本高、参数调整难度大，尤其是船舶的非线性和 不确定性使得控制效果难以保证，影响系统的稳定性。 第四代是人工智能自动舵，对有限维、线性和时不变的控制过程，传统 的控制方法是非常有效的。由于实际船舶系统常具有不确定性、非线性、非 稳定性和复杂性，很难建立精确的模型方程，甚至不能直接进行分析和表示。 随着计算机及计算机网络的飞速发展和广泛应用，人们希望用计算机帮助人 甚至代替人来完成更多更复杂的脑力劳动，以提高自动化水平和工作效率， 这促使自动控制与人工智能两个学科交叉融合，形成了智能控制与智能自动 化( 简称智能控制) 这一新的学科。智能控制自动舵卜叫采用的智能控制手段主 要包括神经网络控制技术、专家控制技术、模糊控制技术以及遗传算法等优 化技术。 自上世纪九十年代起，研究人员对神经网络的研究大量增加。神经网络 具有非线性映射能力以及自学习、自组织、自适应、分布存贮、联想记忆、 并行计算等能力。1 9 9 3 年w i t t 和m i l l e r 等人提出用一个p i d 自动舵去训练 一个神经网络自动舵，利用g p s 给出船舶的精确位置，采用p d 控制器输出 的控制信号作为神经网络舵的教师信号，经过1 0 0 种给定航线训练神经网络， 仿真结果表明对未学习过的任意航线，p d 控制器和神经网络控制器的控制效 果基本相同。此后，h e a m 等提出一种在线训练的船舶神经网络控制系统， 只要知道船舶操作的一般定性知识，就可以完全去除船舶动态特性的数学模 型辨识过程，而且不需要“教师”进行监督学习。此b p 学习算法中的误差 函数对权值的偏导数采用它们本身的符号函数来近似表示，舵机执行器输出 的脉动变化和饱和问题通过选择暂时的训练目标并建立模糊规则表来解决， 仿真表明此法控制器优于p i d 控制器的控制效果。 l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 3 国内外自动舵系统研究概况 自动舵发展的大致经历【4 】：以继电器机械结构为代表的第一代；以电子 管磁放大器为核心控制部件为代表的第二代；以半导体、线性运行放大器为 核心控制部件为代表的第三代。1 9 2 1 年德国安修斯公司( a n s c h u k z ) 发明了 自动操舵仪，即利用罗经的电讯号，通过继电器、机械结构来实现控制电动 舵机。自动操舵仪不仅能够自动驾驶船舶，还能够按给定航向航行，具备航 向精度高，节约能源等特点，能够把人从繁重的人工操舵中解放出来。1 9 3 0 年苏联也相继研究出以电罗经为航向接收讯号的自动操舵仪。 我国对自动操舵仪系统的研究起步比较晚，从二十世纪5 0 年代开始以仿 造苏联磁放大器为控制核心自动操舵仪，到了6 0 年代末才自行研制成功以半 导体分立元件为核心的自动操舵仪典型产品，有向阳舵、南海舵，以及上海 电器厂生产的红旗舵等等。7 0 年代末才开始把线性运算放大器技术，运用到 p i d 自动操舵仪中，典型产品有九江仪表厂h d 5 系列、上海电器厂h q 5 系列。这类产品为当时造船工业填补了空白，为国防现代化出了力。自8 0 年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案， 仿真研究结果和产品。1 9 8 0 年，袁著社、卢桂章老师采用n o r r b i n 性能指标， 利用最小方差自校正控制器自适应律设计了船舶航向保持的自适应舵，发表 了仿真结果；1 9 8 4 年，林钧清老师利用最小方差自校正调节器设计了自适应 自动舵的软件，并进行了仿真研究；1 9 8 6 年，大连海事大学陆样润、黄义新 等老师采用了对偏航速率进行加权的最小方差自校正控制方案，进行了自适 应舵的研制，他们在该校的万吨实习船“育红 轮上进行了实船海上实验。 试验结果表明，该自适应舵比p i d 舵具有更好的控制效果【5 】。我国主要的海 运院校，如大连海事大学、武汉理工大学、大连舰艇学院和大型航运公司及 研究所，都相继引进、研究、开发并配备了船舶操纵模拟器。但和目前国际 上同类产品比较，无论技术指标先进性和可靠性都存在不少差距。 到目前为止只有少数经济发达的资本主义国家，如美国( s p e r r g ) 、英国 台卡、德国及苏联沙姆希特掌握了航迹航向自动操舵仪的软件设计与实现这 项技术，并形成名牌产品。目前我国产品主要用于国内的内河与近海船舶， 很少为出口船舶配套，大多数国产自动舵仅仅具有航向控制功能，燃油经济 4 r 哈尔滨t 稃大学硕十学佗论文 性不佳。而国产市场基本被德国、日本、美国、挪威的老牌自动舵制造商占 据。目前国外自动操舵仪已向数控和自适应技术相结合方向发展。大多数产 品基本具有航向控制和航迹控制功能，节省燃油的效果明显。 综合国内外有关航向、航迹控制产品实际开发与理论研究现状，可以总 结出：一方面p i d 自动舵由于其高强度稳定性及简易操作等特点，受到航海 界人士的信赖，仍然占据主导地位。另一方面，各种新兴的控制理论正在不 断的被运用到航向、航迹控制中。近几年发展起来的智能控制及其它近代控 制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段，还有待于进一步 工程实现研究。 1 4 船舶定位与控制系统 船舶定位系统是一个独立的系统，它通过检测船舶的运动信号来得到各 种导航参数，但是它又与控制系统存在着联系 6 】。导航系统将船舶动力学模 型状态的观测值提供给船舶控制系统，从而得到船舶的控制信号( 舵角) 。控 制系统提供的控制信号使船舶按预定航线运动，定位系统对控制器而言是一 个全维状态观测器，它将测得的状态变量实时的提供给船舶控制设计系统， 这使得船舶控制系统设计方法更加丰富和多样化。 设计船舶航迹航向控制系统，最重要的就是航迹自动舵的设计。它是以 自动舵为基础，以计算机为核心，并连接综合导航仪或船位接收机的一种自 动航行控制系统。它通过人工向系统输入航路数据、位置偏移量以及硬件部 分连接计程仪、陀螺罗经、定位仪，将这些信号和数据通过微机软件进行计 算、分析与处理，能使船舶自动沿着计划航线航行，并能在预定的转向点自 动转向，从而实现船舶自动航行控制。 船舶自动舵的理论和实践研究一直备受关注。但是实际船舶系统具有不 确定性、非线性、非稳定性和复杂性等特点。而以神经网络控制技术为控制 手段的第四代智能舵不需要船舶的精确数学模型，具有强大的非线性映射能 力。因此，它在船舶运动控制中有很大优势，现已受到人们广泛关注和采用。 本文除了对船舶进行定位，还建立了船舶神经网络航迹自动舵控制系统，具 有普遍和深远的意义。 广 产 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 1 5 论文的主要内容安排 船舶自动操舵仪( 自动舵) 是船舶运动控制中具有特殊重要性的一个系 统，用于航向保持航向改变航迹保持控制，国内外许多人员都对自动舵系 统展开深入研究。本论文是结合某型船舶航向航迹控制系统来进行研究的， 主要做了如下几方面工作： 第一章介绍了课题研究的背景、意义，按照控制算法阐述了自动操舵仪 的四个发展阶段以及国内外研究现状，论述了定位与控制的密切关系。 第二章分析了航迹控制实现方案，即分离式航迹控制与综合式航迹控制。 对船舶航迹规划、航海计算算法及引导问题进行了研究，并分析了航迹偏差 形成的一般方法与解析方法。 第三章完成了船舶运动数学模型的建立，搭建了操舵伺服系统的 s i m u l i n k 框图，对海流、海风、海浪等干扰力进行了数学建模，并对海浪干 扰力( 力矩) 进行了m a t l a b 仿真。 第四章首先阐述了几种导航定位系统的基本原理、发展状况及优缺点， 其次利用卡尔曼滤波技术建立了组合导航系统误差模型并对其进行了仿真。 仿真结果证明了组合导航系统的定位精度优于单个的导航定位系统。 第五章针对直接式航迹控制系统建立了操舵伺服系统的数学模型，对 p i d 航向自动舵进行了数学建模与仿真，在介绍了人工神经网络基础知识及 b p 算法的基础上将a n n 直接控制应用于航迹自动舵，航迹舵仿真结果表明， 系统跟踪精度具有准确性、稳定性等优点。 6 一 ， 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第2 章船舶航迹控制系统构成方案研究 2 1 航迹控制实现方案 本节讨论船舶航迹控制方案，由航迹控制基本知识和不同的航行控制要 求提出了不同的应对控制方案，船舶航迹控制可分为分离控制方案和综合控 制方案【7 j 。 2 1 1 分离式控制方案 分离控制方案( 间接控制法) 是把航迹控制问题看成一系列航向保持与航 向改变问题。系统由三个互相嵌套的闭环系统即舵角控制环、航向控制环和 航迹控制环组成。航迹控制环将g p s 或组合导航系统接受的船位与计划航线 比较，获取当前时刻的航迹偏差信息，通过航迹算法得到一个指令航向，并 把这个指令航向发送给航向控制环以消除航迹偏差；航向控制环则将组合导 航系统采集的航向信息与制导环送来的指令航向进行比较，发出指令舵角给 舵角控制环以消除航向偏差；舵角控制环驱动舵机，使实际舵角与指令舵角 一致。将航迹控制分解成航迹控制环与航向控制环，航迹控制环根据航迹偏 差给出指令航向，由航向控制环实现航向控制，从而完成航迹控制。其原理 框图如下所示： 图2 1 分离式航迹控制方案 这种控制方案从控制效果上看是由命令舵角顺序地控制航向误差和航迹 7 哈尔滨下稃大学硕十学何论文 误差，使之趋近于零。航迹分离控制方案的优点在于航迹和航向控制功能的 相对分离，不但便于这两种控制模式的相互转换，而且便于在自动舵系统设 计中充分利用航向操舵仪成熟的技术与丰富的研究经验，利于在软硬件开发 中采用模块化结构。总之，这种方案比较接近现阶段的航海实践，比较容易 被人们理解和接受，它的缺点是控制精度相对较低。 2 1 2 综合式控制方案 综合控制方案( 直接式控制) 是建立在舵角与航迹偏差、偏航角速度等的 联系上，通过直接控制舵角来消除航迹偏差。航迹控制要求舵角万克服环境 干扰把船舶的运动轨迹维持在设定航迹上，这时除了要消除航迹误差7 7 ，还 要消除航向误差y = 阢一y 。直接航迹控制系统由航迹控制环、航向控制环 和舵角控制环组成，航迹控制环与航向控制环互相独立，并联使用( 由开关进 行切换选择) ，两者共同使用舵角控制环，其实现方法如图2 2 所示。 图2 2 直接式航迹控制系统框图 航迹控制环将组合导航系统来的船位与计划航线比较，直接计算出指令 舵角，送到舵角控制环；航向控制环对组合导航系统来的实际航向与用户设 定的指令航向进行比较，计算出指令舵角送到舵角控制环，两者之间由开关 进行切换；舵角控制环驱动舵机，使实际舵角与指令舵角一致，以实现船舶 的航迹控制与航向控制。 直接法能对方向、位置、速度这些实际上藕合的参量进行综合考虑，可 ，- 哈尔滨t 程大学硕十学干f 7 ：论文 达到优良的控制性能、能很好地协调性能与能量之间的关系，适用于高精度 控制场合。但是直接操舵法目前还停留在仿真阶段，使用起来也存在不少问 题，这主要是由于很难获得精确的船舶动态参数，此外，性能指标的具体表 达式及权重系数也很难给出。 2 2 航迹控制计算方法 海上解决航迹控制问题一般分为航迹规划、航海计算、引导、航迹控制 四个方面。航迹规划层根据航行海区的气象、水文、交通情况制定航行计划； 航海计算部分根据船舶当前的位置、航向、速度及海流情况进行船位推算； 引导层接收导航信息并给出指令航向与航速；控制层则进行操舵控制与航速 控制。 2 2 1 航迹规划 航迹规划的主要功能是制定本次的航行计划，并将其存储于综合导航台 中，综合导航台按事先约定的方式将全部或部分计划送到航迹控制操舵仪。 性能优良的航迹规划系统最多可以存储l o 条航线，每条航线最多达2 0 个转 向点。 2 2 2 航海计算算法研究 航海计算主要实现海图作业的数字化。航海计算包括在海图上进行航迹 偏差，7 和到转向点距离d 的计算【8 1 。航迹偏差的计算精度以及航迹段的确定等 对控制效果的影响很大，航迹偏差计算主要包括两方面内容：一是由起航点 和终点的经、纬度求取航向、航程；二是由航行起始点的经、纬度以及航向、 航程求到达点的经、纬度。 目前，墨卡托海图约占船用海图的9 5 以上，为了方便操纵，船舶航行 时采用恒向线航线，恒向线在墨卡托海图上表现为直线，但实际在地球表面 上一般为球面螺旋曲线。 1 卫星导航船位推算 9 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 卜+ 髫k v s i n c 弋1 _ 1 5 s i n 川 p 。， l 识：纸+ 黑( 1 _ o 5 e 2 s i n 2q j o ) v i 舻舻丽o 。0 5 1 式中：口为地球椭圆长半径，地球椭圆偏心率p = = 丽厶= 0 0 8 1 8 ， 纠哪加k + 争 篙n 监端 ( 2 - 3 ) i d = n d 、。 c = a r c t a n ( 筹) = 蝴( 坐警马( 2 - 4 ) 肛i6 0 x s a c q o l ( 2 - 5 ) 上式中的幽，a d 分别为两点间的经度差和纬度渐长率差，伊为两点间 纬度差。当c o s c = 0 时，两点间距离的计算公式如下： s 。1 6 0 从c o s 仍l ，( c = i 7 ，c = 孚) ( 2 6 ) l + ， 1 已知彳( ，仍) 、两点间航程s 和航向c 可推算出到达点的位置b ( 五，仍) ： 五= 五+ 从( 2 7 ) 其中缈= 鱼景等，从= 面s 而- s i n c 。当出发点至到达点采用的航向不止 一个( 当中有转向点) 时，我们从起始点开始，先求出第一航路段终点( 即第一 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 个转向点) 的位置，然后以此为起点，再求出第二个转向点的位置，以此类推 便可求出到达点的位置。 3 航迹偏差计算【l o 】 图2 3 示出其航迹控制方案的几何运动学图景。 j y 二( x)y) ( 北) p l a n n e d r o u t e | 似纠，、l - d 脚 磅尸删 j ，州 【，躺 攫吵 力7 ( 7 彬 x ( 东) 图2 3 航迹控制方案的几何及运动学图景 其中y ( 后) ，以后) ，r ( | | ) 可以在线进行直接测量；设定航向弘r ( k ) 、航迹误差 ( 后) 由航迹规划单元提供。航迹误差e ( k ) 是目前船位 ，y ) 到计划航线的最 短距离： f 2 ( 七) = ( 工( 后) 一x ) 2 + ( y ( 后) 一少+ ) 2( 2 8 ) 在给定设计航线y = 烈曲的情况下，垂足点( x 水，j ，木) 的坐标可由作垂线原 理经迭代法求出： 2 ( 七) = ( x ( 七) 一功2 + ( j ，( 尼) 一烈后) ) 2 挈：2 ( m ) 叫- 2 ( y ( 垆) 以加o q 。9 在指定船位( ( x ( 后) ，y ( 后) ) 情况下，上式为x 的高阶非线性方程，其根即为 所求的工木，而j ，木= 烈x 木) 。设定航向孵是( x 宰，j ，木) 点切线方向， 孵( 尼) = a r c t a n 去 = 蝴【( x 串) 】。当用多个直线段代替设计的航迹时( 大 多数情况下设计航线是由一系列接续的直线段组成的) ，先要确定船位 ( x ( 尼) ，y ( 尼) ) 属于哪一个直线航迹段i ，然后利用其两个断点的坐标 ( 五，乃) ，( 。，乃+ 。) 即可求出垂足( z 串，y 水) 的坐标，并计算出( 后) 和炸( 尼) 的数值 为 1 2 】： ( 尼) ：一亟! 出坐_ 坐盟竺挚型( 2 10 ) i ( 咒+ l 一乃) 2 + ( 薯+ l 一五) 2 2 2 ”( 七) = a r e t a n ( o , , + l 一乃) “五+ l 一薯) ) ( 2 1 1 ) 式( 2 1 0 ) 中，当( 后) 0 时船在航线右侧。实际中遇到的问题较上述还要复杂 一些，原因在于位置的计算必须计及地球的曲率和偏心率，并且应化成经度 。* 。一 表不o 2 3 引导问题 引导问题用于消除航迹偏差使船舶沿预定航线准确航行。引导问题分为 航迹控制和航迹转向两部分，航迹控制又分为航迹开始和航迹结束两个方面。 总之，引导过程是一项综合的智能解决问题的过程【l 3 。 1 航迹开始 首次进入航迹控制，系统默认l # 航路段( 第一转向点与第二转向点之间 的航路段) 为当前航路段，如果船位到该段转向界面的距离l 小于或等于零， 则该段己经被超越，顺序取下一航路段进行判断，直到l 大于0 为止，认为 l 大于0 的航路段为当前航路段，然后制导开始。如果在没到港时，全部航 路段都已超越，则认为系统航迹设定错误，不能再以航迹控制方式进行航行。 避让结束重新进入航迹控制时，则以切换时的执行航路段为起点计算。 2 航迹结束 超越最后一个转向点后，控制器自动切换为航向控制方式，继续保持原 航行航向，并报警提示用户航行计划完成。 3 航迹转向的起转距离推定 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 为了确保船舶转向运动的质量，保证快速回转且不产生超调，有两点值 得注意：一是确定适当的提前起转距离，一i 是设计性能良好的转向控制器， 这里我们只考虑前一个问题。 j w m 形 誓弋足 、全熬 。 b a _ j 会 图2 4 船舶航迹转向起转距离推定 设船舶在直航前进时从a 点开始打舵皖( 右舵) ；由于惯性，船舶起初仍 沿着原直线以原航速v 行进一段距离，此距离a b 称为滞距或心距。 a b = v ( t + t j 2 ) ( 2 1 2 ) 其中t 为n o m o t o 船舶运动模型中的时间常数( 有量纲的追随性系数，s ) ；为 舵角从0 到6 0 的到位时间，如果把舵角的运动按匀速率处理，取由零舵到满 舵( 3 5 0 ) 的时间为1 5 s ，则： = 兰磊= 号磊 ( 2 _ 1 3 ) 33| 假设船舶驶过心距后立即进入正常旋回，忽略船舶改向中的航速变化， 从运动学和船舶动力学可知： r o = k 皖 ( 2 - 1 4 ) r = p ( 2 - 1 5 ) b 彬= 尽t a l l ( av d 2 ) ( 2 - 1 6 ) 上面三个式子中，为船舶在恒舵角磊下的回旋角速率；r 为回转半径； 嫉为转向点彬处的转向角；k 为n o m o t o 模型中的增益系数( 另一个有量纲 1 3 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 追随系数，s 一) 。由以上三式可得超过心距后至转向点彬的距离为： 丽= 署t a n ( a 咄) ( 2 - 1 7 ) 上