[發明專利]一種不依賴艏向信號的船舶自動操縱系統及方法

在審

• 申請號: 201910098232.8
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109709877A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 周崗;宰德廣;陳永冰;李文魁;李晨;張智穎
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 黃行軍;王亞萍

1.一種不依賴艏向信號的船舶自動操縱系統，其特征在于：包括

舵輪，用于輸出指令舵角至控制單元；

定位模塊，用于獲得實時船位信息并輸出至控制單元；

舵角反饋單元，用于實時檢測船體實際舵角和船體回轉角速度并發送至控制單元；

控制單元，用于根據接收的船位信息和船體回轉角速度確定最優航跡向狀態量，用于根據最優航跡向狀態量、船位信息、指令舵角、實際舵角及設定的跡向線和航線得到轉舵指令信號并輸出至液壓舵機；

液壓舵機，用于根據接收的轉舵指令信號驅動舵葉轉動完成船舶操縱控制。

2.根據權利要求1所述的不依賴艏向信號的船舶自動操縱系統，其特征在于：所述控制單元包括用于對接收的信息進行處理并輸出轉舵控制信號的控制模塊和用于對轉舵控制信號進行處理形成轉舵指令信號的驅動模塊，所述控制模塊包括第一單片機模塊、電平轉換電路、第一CAN通訊模塊，所述驅動模塊包括前置信號放大模塊和磁隔離固態繼電器，所述第一單片機模塊的第一信號輸入端通過電平轉換電路連接定位模塊的輸出端，第一單片機模塊的第二信號輸入端和第三信號輸入端分別通過第一CAN通訊模塊連接舵輪的輸出端和舵角反饋單元的信號輸出端，第一單片機模塊的控制信號輸出端連接前置信號放大模塊的輸入端，前置信號放大模塊的輸出端連接磁隔離固態繼電器的輸入端，磁隔離固態繼電器的輸出端連接液壓舵機的信號輸入端。

3.根據權利要求1所述的不依賴艏向信號的船舶自動操縱系統，其特征在于：所述舵角反饋單元包括用于檢測實際舵角信息的舵葉角度檢測模塊、用于檢測船體回轉角速度的角速度檢測模塊、運算放大模塊、第二單片機模塊和第二CAN通訊模塊，所述舵葉角度檢測模塊和角速度檢測模塊的輸出端分別通過運算放大模塊電連接第二單片機模塊的輸入端，所述第二單片機模塊輸出端通過第二CAN通訊模塊電連接控制單元的信號輸入端。

4.根據權利要求1所述的不依賴艏向信號的船舶自動操縱系統，其特征在于：還包括用于進行信息顯示的顯控單元，所述顯控單元包括依次電連接的第三CAN通訊模塊、處理芯片和顯示屏，所述第三CAN通訊模塊與控制單元信號輸出端電連接。

5.根據權利要求1所述的不依賴艏向信號的船舶自動操縱系統，其特征在于：還包括用于輸出操舵模式信號至控制單元的操舵模式模塊，所述操舵模式模塊包括依次電連接的光電耦合器和鎖存器，所述光電耦合器的輸入端用于電連接操舵模式選擇開關，所述鎖存器的輸出端連接控制單元的信號輸入端。

6.一種不依賴艏向信號的船舶自動操縱方法，其特征在于：采集船位信息、指令舵角、實際舵角、船體回轉角速度及設定的跡向線和航線數據，根據船位信息和船體回轉角速度獲得最優航跡向狀態量，根據最優航跡向狀態量、船位信息、指令舵角、實際舵角及設定的跡向線和航線得到轉舵指令信號驅動舵葉轉動實現船舶的自動操縱控制。

7.根據權利要求6所述的不依賴艏向信號的船舶自動操縱方法，其特征在于：通過卡爾曼濾波算法對船舶的航跡向進行觀測優化確定最優航跡向狀態量，所述船舶的航跡向與船位信息和船體回轉角速度之間的關系如下：

其中，H_λ為船舶的航跡向，r為船體回轉角速度，x和y分別為船體橫向位移和縱向位移，通過船位信息確定，V_x和V_y分別為船舶航速V_e的橫向和縱向分解量。

8.根據權利要求6所述的不依賴艏向信號的船舶自動操縱方法，其特征在于：所述船體回轉角速度通過設置于舵角反饋單元中的角速度檢測模塊獲得。

9.根據權利要求6所述的不依賴艏向信號的船舶自動操縱方法，其特征在于：通過控制舵角的變化，使如下公式中的最優航跡向狀態量H_λ、最優航跡向狀態量變化率和橫偏位移x趨近于零，實現船舶的自動操縱控制，

其中，δ為舵角，非線性項f(x)為關于橫偏位移x的函數，H_λ為最優航跡向狀態量，為航跡向變化率，k_p、k_d為相關系數。