一种船舶航行控制在线自适应调节系统及方法与流程

本发明涉及航海技术领域，具体涉及一种船舶航行控制在线自适应调节系统及方法。

背景技术：

当前，船舶远洋航行方向通过控制船艏向实现的。现有技术中，船艏向必须是船的航行方向，这就需要自动舵频繁调整以克服海洋环境力的干扰，使舵叶很难保持中位，即使如此，还需要驾驶员定时修正航向，解决偏航，因此远洋船舶的航迹路线是“z”形或“s”形的，舵效产生的附加阻力影响航速。

远洋船舶自动舵是航向保持的关键设备，自动舵以船艏向偏离设定航向的偏差为被控量，执行舵叶偏转角度为操纵变量，外部的风浪流干扰为负荷。在现有技术中，以船艏向为航向时，自动舵被动克服这些外部干扰，出现舵机频繁调节、航向变动往复、航行阻力增加及燃油消耗多的问题。

目前，船舶自动舵的缺点是控制参数单一，始终追求船艏向对准设定的航行方向，没有将风浪流环境干扰力用于船舶助航，而是克服风浪流环境力干扰，造成船舶动力极大的损耗。

现有的仅以船艏向为航向控制的船舶航行控制方法具体存在以下问题：

(1)船舶航行控制目标单一，造成频繁调节、增加额外损耗；

(2)船艏向为航向的控制目标，没将风浪流的干扰力用于助航而被克服，导致额外耗油；

(3)通过舵叶偏转抵消外界干扰，致使航行阻力增大，船舶燃料消耗多。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种船舶航行控制在线自适应调节系统及方法，船艏向不再是单一的航向控制目标，通过将船舶螺旋桨推力与风浪流环境干扰力的合力矢量作为船舶的实际航行方向，并通过船舶航行自适应控制模块根据航向偏差值，通过优化的pid算法自适应控制船舶舵机。实现了利用风浪流干扰力辅助航行，克服船舶航向振荡、舵机频繁调节、航行阻力增加、燃油消耗大的问题，实现船舶舵机在线自适应控制。

为了达到上述目的，本发明提供一种船舶航行控制在线自适应调节系统，其信号连接船舶主机及船舶舵机，船舶主机连接螺旋桨，通过改变船舶主机输出值调整船舶主机喷油量，实现改变螺旋桨推力大小，所述系统包含：

航线规划模块，用于根据始发港、目标港的位置信息设置包含若干个参考点的理想航线；航线规划模块还为参考点设置对应的船舶航向给定值；

船舶位置信息采集模块，用于实时采集船舶位置信息，并根据所述船舶位置信息确定实际航行运动方向；

风浪流干扰力信息采集模块，用于采集风浪流干扰力的大小及方向；

舵角检测模块，其信号连接船舶舵机，用于检测舵叶实际偏转值；

船艏向检测模块，用于检测船艏的运动方向；

船舶航行自适应控制模块，其信号连接所述船舶位置信息采集模块、航线规划模块、风浪流干扰力信息采集模块、舵角检测模块、船艏向检测模块、船舶主机、船舶舵机，用于在有风浪流干扰力优势方向时，根据所述风浪流干扰力的大小及方向、理想航线、船舶位置信息，设置船舶主机输出值及舵叶偏转值，实现螺旋桨推力与风浪流干扰力的合力的矢量方向与理想航线相交，并实现所述合力的矢量方向与理想航线的夹角小于设定的阈值；所述船舶航行自适应控制模块还根据所述船舶航向给定值和所述实际航行运动方向获取航行偏差值，根据所述航向偏差值自适应控制船舶舵机，维持船舶偏离理想航线在允许的范围内。

所述船舶航行控制在线自适应调节系统，还包含船艏向航行控制模块，其信号连接风浪流干扰力信息采集模块、船舶舵机，船舶主机、航线规划模块、船舶位置信息采集模块、船艏向检测模块，用于以船艏向为航向控制船舶沿理想航线航行。

本发明还提供一种船舶航行控制在线自适应调节方法，采用本发明所述的船舶航行控制在线自适应调节系统实现的，包含步骤：

s1、以始发港为航线起点，目的港为航线终点，设置理想航线；在所述理想航线上设置若干个参考点；

s2、若无风浪流干扰力优势方向，通过船艏向航行控制模块控制船舶沿理想航线航行；否则，进入s3；

s3、实时测量风浪流干扰力的大小及矢量方向；通过船舶航行自适应控制模块设置船舶主机输出值和船艏向与理想航线的夹角，实现螺旋桨推力与风浪流干扰力的合力的矢量方向为当前船舶质心指向最近参考点的方向；

s4、通过船舶航行自适应控制模块调整船艏向与理想航线的夹角和/或船舶主机输出值，实现所述合力的矢量方向与理想航线相交，且所述合力的矢量方向与理想航线的夹角γ小于设定的阈值，船舶以合力的矢量方向为航向；

s5、船舶航行自适应控制模块根据采集的航向偏差值自适应控制船舶舵机，维持船舶偏离航线在允许的范围内；重复步骤s2至s5。

优选的，步骤s2还包含：根实时采集船舶位置信息，检测船舶偏离航线是否在允许的范围内；若超过允许的范围，通过船艏向航行控制模块，操作船舶回到所述理想航线。

优选的，步骤s2中还包含，在船舶进出港、过狭窄航道、避碰、处于复杂海域以及恶劣海况时，通过船艏向航行控制模块控制船舶沿理想航线航行。

优选的，步骤s3、步骤s4中，设置船舶主机的输出值为船舶主机满负荷的75％～85％。

步骤s5具体包含：

s51、计算航向偏差e(k)＝yd(k)-y(k)；k为采样序号；yd(k)为航线规划模块根据理想航线上的参考点生成的船舶航向给定值，y(k)为船舶位置信息采集模块采集的船舶实际航行方向的输出值；当航向偏差|e(k)|≥|δ1|，进入s52；否则保持当前航向不变；其中δ1为船舶航向死区/不灵敏区；

s52、计算比例输出up(k)＝kp(k)e(k)；其中kp(k)为比例系数；

s53、计算积分输出ti(k)为积分时间常数；是梯形积分项；f[e(k)]为变速积分，

|δ1|≤b≤1.5|e(k)|,a≥2|e(k)|；

s54、计算微分输出ud(k)，其中

其中ξ为低通滤波器系数，td(k)为微分时间，ts(k)为采样时间；

s55、构建误差平方和性能价值函数j，优化kp(k)、ti(k)、td(k)：其中，

μ(·)、ψ(·)为优化函数；ηp、ηi、ηd∈(0,1)，均为学习因子；

s56、对up(k)+ui(k)+ud(k)进行限幅后作为操舵角op(k)输入船舶舵机，舵叶根据所述操舵角op(k)偏转；若操舵角op(k)未超过满舵限幅且操舵角|op(k)|≥|δ2|，进入s51；否则，保持当前航向；其中δ2为舵角死区。

优选的，所述允许的范围具体是指航线宽度，实际航线与理想航线间距小于船长的海域。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)当存在风浪流干扰力优势方向时，通过本发明将螺旋桨推力与风浪流干扰力的合力的矢量方向作为船舶航行方向，风浪流干扰力不再是必须克服的障碍，而是利用其进行助航，只需微调螺旋桨推力、舵叶偏角，即可实现船舶航行控制；

(2)本发明随着风浪流干扰力在线自适应调节舵机舵效和船舶主机推进，不需利用gps也能抵消横向漂移，最大限度的降低航行阻力；

(3)通过使用本发明的方法，大大减少了船舶舵机负荷、舵机调节幅度和舵机调节频率，极大的降低了航行阻力和能量损耗，具有很好的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为现有技术中船舶航向控制原理图；

图1a为现有技术中以船艏向为航向，船舶在风浪流干扰力作用下回航示意图；

图2为通过现有技术的船舶航行控制方法产生的多种航迹示意图；

图3为本发明的船舶航行控制在线自适应调节方法示意图；

图4为本发明的船舶航行控制在线自适应调节系统示意图；

图5为本发明的船舶航行自适应控制模块自适应控制舵机示意图；

图6为船舶通过本发明的船舶航行控制在线自适应调节方法产生的航迹示意图；

图7a、图7b分别为风浪流干扰力方向不变仅大小变化、风浪流干扰力大小不变仅方向变化时，螺旋桨推力及船艏向与理想航线夹角示意图；

图8a至图8c分别为船舶顺风、逆风、横移时，螺旋桨推力及船艏向与理想航线夹角示意图。

图中：1、航线规划模块；2、船舶位置信息采集模块；3、风浪流干扰力信息采集模块；4、舵角检测模块；5、船艏向检测模块；6、船舶航行自适应控制模块；7、船舶主机；8、船舶舵机；9、船艏向航行控制模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有技术中船舶航向控制原理图，其包含步骤：驾驶员通过船舶航向设定模块设定某一段航程的船舶航行方向sp，也就是设定船艏向；在海洋环境风浪流等扰动下，船艏向pv偏离设定的船舶航向sp，e1≠0且e1＞δ(δ为死区、不灵敏区)，则舵机动作，随动调节舵叶偏转，产生附加转船力矩，使船艏向回复到所设定的船舶航向。电罗经通过检测实际船艏向值pv，得到航向偏差e1＝sp-pv；航向控制运算模块、控制舵角生成模块根据e1，计算出操作舵角op；op作为舵机的输入值；舵叶偏转模块根据op实现舵叶偏转，舵角检测模块4获取舵叶实际偏转值θ，得到舵角偏差e2＝op-θ。远洋船舶安装在艉部的液压舵机具有舵叶位置自动控制功能，根据op和θ消除舵角偏差e2，液压系统调节舵叶偏转到op值为止。因目前的船舶航向控制系统的固有特性必然导致调节滞后、超调、振荡等问题。如图1a所示，船舶需要不断地回航至预先设定的航线，造成船舶主机7能源消耗很大，浪费能源。

图2为通过现有技术的船舶航行控制方法产生的各种航迹示意图，根据图2中的航迹可以看出现有技术中的远洋船舶航向控制存在的缺陷。图2中的航迹(a)、航迹(b)显示船舶在给定航向两侧摇摆，虽其平均航向仍在能围绕在正航向上，但船舶方向调整时间长。航迹(a)是收敛的，说明船舶航行控制方法是可行的；航迹(b)是发散的，其对应的船舶控制方法不能用。航迹(c)显示船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀，平均航向偏离正航向一侧，且又持续了很长一段时间，航迹(c)也发散的。航迹(d)为平均航向发生大的偏移在pid航向保持控制器校正后，船舶返回正航向的情况，该种情况下，船舶动力能源浪费较大。目前的远洋船舶自动舵虽能纠偏使船舶返回正航向，但对船舶的横向漂移却无能为力，须借助gps定位系统来实现航线控制。

本发明提供一种船舶航行控制在线自适应调节系统，如图4所示，其信号连接船舶主机7及船舶舵机8，船舶主机7连接螺旋桨，通过改变船舶主机输出值调整船舶主机喷油量，实现改变螺旋桨推力大小，所述系统包含：

航线规划模块1，用于根据始发港、目标港的位置信息设置理想航线；优选的，所述航线规划模块1包含电子地图。所述理想航线上设置了若干个间断的参考点。航线规划模块1还为理想航线上的参考点设置对应的船舶航向给定值。一般船舶每航行两小时就要针对参考点进行比较，检查船舶实际航行偏离情况并进行修正，若偏航大于设定的阈值就针对下一个参考点调整航向，使航行偏差为0，由此产生一个新的设定航向。若偏航不超过设定的阈值则不需调整。

船舶位置信息采集模块2，用于实时采集船舶位置信息，并根据所述船舶位置信息生成船舶质心运动方向；优选的，所述船舶位置信息采集模块2为gps模块；

风浪流干扰力信息采集模块3，用于采集风浪流干扰力的大小及方向；

舵角检测模块4，其信号连接船舶舵机8，用于检测舵叶实际偏转值；船艏向检测模块5，用于检测船艏的运动方向；优选的，所述船艏向检测模块5为电罗经；

船舶航行自适应控制模块6，其信号连接所述船舶位置信息采集模块2、航线规划模块1、风浪流干扰力信息采集模块3、舵角检测模块4、船艏向检测模块5、船舶主机7、船舶舵机8，用于在有风浪流干扰力优势方向时，根据所述风浪流干扰力的大小及方向、理想航线、船舶位置信息，设置船舶主机输出值及舵叶偏转值，实现螺旋桨推力与风浪流干扰力的合力的矢量方向与理想航线相交，并实现所述合力的矢量方向与理想航线的夹角小于设定的阈值；所述船舶航行自适应控制模块6还根据所述船舶航向给定值和所述实际航行运动方向获取航向偏差值，根据所述航向偏差值自适应控制船舶舵机8，维持船舶偏离理想航线在允许的范围内；

船艏向航行控制模块9，其信号连接风浪流干扰力信息采集模块3、船舶舵机8，船舶主机7、航线规划模块1、船舶位置信息采集模块2、船艏向检测模块5，用于以船艏向为航向控制船舶沿理想航线航行。

本发明还包含一种船舶航行控制在线自适应调节方法，采用本发明所述的船舶航行控制在线自适应调节系统实现的，如图3所示，包含步骤：

s1、以始发港为航线起点，目的港为航线终点，设置理想航线；在所述理想航线上设置若干个参考点；

s2、若无风浪流干扰力优势方向，或船舶偏离航线若超过允许的范围，或船舶处于进出港、过狭窄航道、避碰、处于复杂海域以及恶劣海况时，进入船艏向控制模式，通过船艏向航行控制模块9控制船舶沿理想航线航行(此为现有技术)；否则，进入船舶航行控制在线自适应模式，通过船舶航行自适应控制模块6控制船舶航行，进入s3；所述允许的范围具体是指，如图6所示，以理想航线为中心，实际航线与理想航线之间的距离小于船长的海域；

s3、实时测量风浪流干扰力的大小及矢量方向；通过船舶航行自适应控制模块6生成船舶主机输出值和船艏向与理想航线的夹角α，实现螺旋桨推力fp与风浪流干扰力的合力的矢量方向为当前船舶质心指向最近参考点的方向；优选的，设置船舶主机7的输出值为船舶主机7满负荷的75％～85％，在该输出值下，主机效率最高，处于最佳负荷。

调整船艏向与理想航线的夹角α时通过调整船舶舵机8的舵叶偏转角度实现的，舵叶调整完毕后回复中位，保证fp方向稳定，消除舵效产生的附加阻力。fp由船舶主机7的输出值控制，当船舶主机输出值大，船舶主机7的喷油量高，螺旋桨推力fp也增大。

船舶航行控制的关键是检测风浪流干扰力大小与作用方向，图8a至图8c中风浪流干扰力对船舶航行分别为顺力、逆力、横向力。船舶航行方向为合力f所指的方向，螺旋桨推力为fp，风浪流干扰力为fd，船艏向(螺旋桨推力方向)与理想航线夹角为α，合力矢量f与航线的夹角为γ，则

实际中的α必定是锐角，且则

①船舶顺风或横移时，

②船舶逆风时，

目前的远洋船舶航向保持原理是控制α≈0为目标，这就出现船艏向绕给定航线做“z”形或“s”形轨迹航行。

图7a、图7b示出了风浪流干扰作用力方向不变仅大小变化、大小不变仅方向变化两种特殊情况，可以看出，调节α的效果最佳。实际中的干扰力大小和方向都随机变化，因此，在不超船舶主机85％(优选为75％～85％，此时船舶效率最高)负荷前提下，调节主机工作在最佳负荷率状态同时调节夹角α来适应干扰力变化。

如图7a所示，风浪流干扰作用力方向不变仅大小变化的情况时，初始干扰力为螺旋桨推力为合力矢量在预定航线上。减小干扰力为增大干扰力为且干扰力方向保持不变。若螺旋桨推力不变仍为则干扰力减小后的合力矢量为偏离预定航线o1o2；干扰力增大后的合力矢量为偏离预定航线o1o2；因此，需要调整螺旋桨推力，干扰力减小后的合力矢量为保持船舶在预定航线o1o2上；干扰力增大后的合力矢量为保持船舶在预定航线o1o2上，图7a中显示改变螺旋桨推力作用方向α时调节效果明显。

图7b所示，风浪流干扰力大小不变仅方向变化的情况：初始干扰力为螺旋桨推力为合力矢量在预定航线上。减小干扰力与航线方向夹角，增大干扰力与航线方向夹角，且干扰力大小保持不变。若螺旋桨推力不变仍为则夹角减小后的合力矢量为偏离预定航线o1o2；夹角增大后的合力矢量为偏离预定航线o1o2；因此，需要调整螺旋桨推力，夹角减小后的合力矢量为船舶保持在预定航线o1o2上；夹角增大后的合力矢量为船舶保持在预定航线o1o2上，图中显示改变螺旋桨推力作用方向时调节效果明显。

s4、通过船舶航行自适应控制模块6调整船艏向与理想航线的夹角和/或船舶主机输出值，实现所述合力的矢量方向与理想航线相交，且所述合力的矢量方向与理想航线的夹角γ小于设定的阈值，船舶以合力的矢量方向为航向；优选的，设置船舶主机的输出值为船舶主机满负荷的75％～85％。

s5、船舶航行自适应控制模块6根据采集的航向偏差值自适应控制船舶舵机8，维持船舶偏离航线在允许的范围内；本发明中，可以当所述夹角γ大于设定的阈值时，进行自适应控制；也可以当船舶偏离航线的距离大于允许的范围时，进行自适应控制。重复步骤s2至s5。

如图5所示，所述步骤s5所述自适应控制船舶舵机具体包含：

s51、计算航向偏差e(k)＝yd(k)-y(k)；k为采样序号；yd(k)为航线规划模块1生成的船舶航向给定值，y(k)为船舶位置信息采集模块2采集的船舶实际航行方向的输出值；当航向偏差|e(k)|≥|δ1|，进入s52；否则保持当前航向不变；其中δ1为船舶航向死区/不灵敏区；δ1不是固定值，优选的δ1≈(3～5)％稳态值；恶劣海况下δ1增大提高稳定性，风平浪静下δ1减小提高精确性；

s52、计算比例输出up(k)＝kp(k)e(k)；其中kp(k)为比例系数；

s53、计算积分输出ti(k)为积分时间常数；是梯形积分项；f[e(k)]为变速积分，

|δ1|≤b≤1.5|e(k)|,a≥2|e(k)|；

s54、计算微分输出ud(k)，其中

其中ξ为低通滤波器系数，td(k)为微分时间，ts(k)为采样时间；

s55、构建误差平方和性能价值函数j，优化kp(k)、ti(k)、td(k)；kp(k)、ti(k)、td(k)的作用是消除误差e(k)，其大小影响控制系统稳定性和e(k)收敛速度。pid控制参数初始值kp(0)、ti(0)、td(0)以设备厂家实船调试的最佳值为默认值，系统上电后，首先使kp(0)、ti(0)、td(0)恢复厂家设置。

其中，

船舶输出y(k)对控制输入u(k)的作用具有单调响应特性，即

由误差平方和性能函数得迭代优化算法为

pid控制参数迭代优化方法为：

μ(·)、ψ(·)为优化函数，其可以为由模糊算法、神经网络算法、滑模变结构、专家经验、智能算法等构建的优化函数(现有技术)，如双曲正切函数、高斯基函数等的任一种；ηp、ηi、ηd∈(0,1)，均为学习因子，决定收敛速度，学习速率初值取0.5或0.15，需要经过历史数据训练选择合适的值，在实际应用中其大小按0.01梯度增减；

s56、对up(k)+ui(k)+ud(k)进行限幅(限幅是为防止舵叶偏转超过可行的范围，导致舵机失控)后作为操舵角op(k)输入船舶舵机8，安装在船舶艉部的舵机具有舵叶位置自动控制功能，舵叶根据所述操舵角op(k)偏转；若操舵角op(k)未超过满舵限幅且操舵角op(k)≥δ2，进入s51；否则，保持当前航向；其中δ2为舵角死区。

本发明所述操舵角op(k)未超过满舵限幅,即op(k)≥θmin且op(k)≤θmax，θmin＝-(30°～35°)左满舵，θmax＝30°～35°右满舵。

如图6所示，本发明保证了航线方向与船舶质心运动方向两者夹角γ最小且方向一致收敛的，减小了舵机动作频次和偏离航线的幅度。

船舶航行至o1位置处时，合力矢量o1c1＝螺旋桨推力o1b1+干扰力o1a1，合力矢量o1c1与航线一致，舵叶在中位，使螺旋桨推力保持不变o1b1。但海上干扰力具有不确定性变化，干扰力大小和方向变化为o1a2，此时合力矢量变为o1d2，船舶运动及惯性影响偏离预定航线在o2位置处。

船舶航行至o2位置处时，在船舶主机7和舵机共同调节下，螺旋桨推力由o1b1变为o2b2，调节完成后，舵叶回中位不再有舵效，主机保持在新油门上，则合力矢量o2c2＝螺旋桨推力o2b2+干扰力o2a2，合力矢量o2c2与航线小角度相交，调节过程是渐进的，这可确保稳定性。

合力矢量o2c2作用下船舶航行至o3位置处，干扰力虽然变为o3a3，但螺旋桨推力调节为o3b3，新的合力矢量o3c3＝螺旋桨推力o3b3+干扰力o3a3，合力矢量o3c3又回到与航线一致了。

合力矢量o3c3作用下船舶航行至o4位置处，干扰力变为o4a4，其方向变化几乎180°，这种属于极端情况，螺旋桨推力方向也需要大的变化，使航线夹在干扰力o4a4和推进力o4b4之间，只有这样才能确保合力矢量o4c4逼近航线，则合力矢量o4c4＝螺旋桨推力o4b4+干扰力o4a4，合力矢量o4c4与航线相交或相切，进一步逼近了航线。

合力矢量o4c4作用下船舶航行至o5位置处时，合力矢量o5d5＝螺旋桨推力o5b5+干扰力o5a5偏离了航线方向，这种情况属于失效状态，自动退出船舶航行控制模式，进入船艏航向控制模式，仅需舵机起作用，舵叶偏转发生附加转船力矩，一方面克服干扰力o5a5影响，另一方面使船艏向逼近航线，此时的合力矢量o5d5≠螺旋桨推力o5b5+干扰力o5a5。o5b5虽然与航线近似平行，具有相同的方向，但本发明与已有的船舶航向保持方法的不同之处是要求船艏向与航线至少存在一个交点且两者夹角追求最小，超过两个交点就认为近似重合了。

船舶惯性大，其运动变化不会太快，因惯性、螺旋桨推力和舵效作用下偏航至o6位置处，合力矢量o6d6≠螺旋桨推力o6b6+干扰力o6a6，舵效继续作用下使船艏向逼近航线。

在螺旋桨推力和舵效作用下船舶运动到o7位置处，航线又进入螺旋桨推力与干扰力之间，则自动转换为船舶航向控制模式，舵叶回中位撤销舵效作用，合力矢量o7c7＝螺旋桨推力o7b7+干扰力o7a7，合力矢量o7c7与航线近似重合，这达到了最佳控制和航行效果。

通过本发明的误差平方和性能价值函数能够实现自动且快速的调整舵机偏转角度至设定的偏转值，结合本发明中，通过风浪流干扰力与螺旋桨推力的合力作为船舶航行方向，实现了船舶航行自动化控制，且有效的解决了船舶能效大，航向调整频繁的问题。

现有技术中对船舶航行控制主要围绕航向控制算法展开的，重点在算法优化上，没有针对海洋环境扰动力应用的研究，也没有利用扰动辅助船舶航行的先例，本发明填补了这一空白。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。