面向智能航行的船舶自动舵研究最新动向

<正>当前,智能航行已成为船舶制造与航运领域的必然趋势。作为时代变革的核心特征之一,智能化与传统船舶制造与航运方式开始融合。在这一大背景下,中国船级社率先在全球发布了《智能船舶规范》,为智能航行船舶自动舵开发提供了重要依据。本文面向智能航行中的船舶自动舵系统,系统阐述了船舶自动舵的研究历程,评估和总结船舶自动舵技术的现状,以及探讨该技术的未来发展趋势。     

大型船舶自动舵系统精准智能航向控制研究

为保持船舶在指定轨迹上航行,目前使用最为广泛的技术是船舶航向自动舵控制系统。基于航行安全和节约成本的考虑,船舶航行对自动舵的精确度提出了越来越高的要求。目前,通常采用船舶操纵运动模型研究船舶自动舵控制系统。通过分析船舶运动及其受到干扰力作用的情况,建立船舶控制系统数学模型。本文结合PID控制、模糊控制和粒子群算法,分析研究船舶航向自动舵控制系统。     

基于DSP的舰船PID自动舵监控系统的研究

舰船PID自动舵保障了船舶航向、航速等技术指标的控制水平,是舰船自动化的重要组成部分。为了提高舰船PID自动舵的运行可靠性,大型船舶均装备有相应的舰船PID自动舵监控系统。本文主要介绍一种基于数字信号处理器(DSP)的舰船PID自动舵监控报警系统,并进行该自动舵监控报警系统的硬件搭建、软件设计和监控模拟量分析等工作。     

基于鲁棒滑模控制的水下航行器运动控制仿真研究

基于水下航行器六自由度空间运动模型,研究应用非线性鲁棒滑模控制方法的自动操纵控制方案。对水下航行器在分离式尾舵且首舵收回状态下的操纵控制方案进行仿真试验,通过数值仿真分析验证所提出算法的有效性。     

基于鲁棒滑模控制的水下航行器运动控制仿真研究

基于水下航行器六自由度空间运动模型,研究应用非线性鲁棒滑模控制方法的自动操纵控制方案。对水下航行器在分离式尾舵且首舵收回状态下的操纵控制方案进行仿真试验,通过数值仿真分析验证所提出算法的有效性。     

63kN·m船舶液压舵机的研究与改进

针对传统63kN.m液压舵机的不足进行了分析研究,提出改进方案,实现自动操舵方式,建立了自动舵的仿真模型,并对其动态特性进行了仿真研究。研究结果表明,应用可编程控制器(PLC)和同轴流量放大器的自动舵完全满足船舶航向控制要求。     

基于航速保持的舵减摇控制方法

船舶航行受阻力影响引起航速和能量损耗。研究船舶在静水和波浪中的附加阻力,给出船舶航行时的总体航速损失的计算方法。设计带有航速损失约束的自动舵控制系统,依据舵角协同控制方法设计航向和舵减摇滑模控制规律。综合讨论"航向"与"航向+减摇"两种工作情况,包括横摇稳定、航向精度、航速保持、操舵能量消耗。仿真结果表明:该方法可以有效保持航速;从航行经济性的角度,对于同时安装有减摇鳍和自动舵的船舶,不推荐采用舵鳍联合减摇的控制方法。     

船舶航向模糊控制自动舵系统的设计研究

根据传统ＰＩＤ自动舵的优点和不足，提出了一种由自动驾驶系统的航行信息收集模块和自动航迹保持模块，与一种模糊ＰＩＤ控制器一起构成的自动舵系统的设计方法。经过仿真试验证明，该控制器是有效的，而且船舶自动舵系统的性能也有明显提高。     

航迹控制系统中的精度控制方法验证

通过对电子海图显示与信息系统及船舶自动舵系统的简述,引出航迹控制系统的组成,对航迹控制系统的控制方式和控制原理进行研究分析。阐述航迹控制系统的2种不同控制方式的优缺点和实现方法及其对目标航迹的跟踪方式。通过理论分析航迹控制系统在直线航行与转向航行时如何进行精度管控,证明航迹控制系统在发展中的理论优势及广阔的发展空间。     

基于模糊控制与遗传算法的潜艇自动舵设计与实现

在潜艇六自由度模型的基础上,根据一阶二阶波浪力对于航行在近水面潜艇深度的影响,采用模糊控制技术和遗传算法设计了基于二级模糊控制的遗传算法调整控制参数的潜艇自动舵控制系统.通过在近水面和水下两种状态对控制器性能仿真与结果分析,说明该自动舵具有很好的控制效果,响应较快,静差较小,具有较强抗干扰能力,对于近水面的深度控制有稳定的控制作用.     

综合船舶监控系统设计

综合应用电子海图技术、CAN总线技术、计算机网络技术、Windows编程技术及控制工程的最新理论成果实现了综合船舶监控系统，具有船舶自动控制、信息综合显示、处理及报警功能。通过CAN总线和485串行通讯技术接收船舶机舱各检测点及各种航海仪器数据；将各种数据处理后送到服务器的数据库中，然后送到综合船舶信息显示及处理系统进行数据显示、处理及报警等；电子海图系统接收雷达及GPS定位信息，进行船位的图形显示及海况信息显示，同时将导航信息送到船舶自动舵，进行航迹或航向控制。     

船舶自动舵控制系统实施改造的研究及实现

介绍了TS-75型自动舵系统的组成概况，分析了舵机抖动的机理，指出了该舵机抖动的根本原因是由于其控制电路的故障引起的，并提出解决该问题的有效方法是利用PLC（Programmable Logic Controller）技术对舵机控制系统进行改造。通过对船舶自动舵控制系统的控制原理、控制方法及存在的问题进行研究后，设计了基于PLC技术的自动舵控制方案，讨论了其具有的优点。利用PLC的模块化结构组态自动舵控制系统，实现船舶自动舵的自整定PID（Proportional Integral Differential）制，说明了STEP7 PID—TUNE的使用方法。基于PLC自整定PID控制的自动舵满足船舶的各种动态特性指标，能提高舵机控制系统的可靠性和经济性。     

考虑外环境影响的船舶操纵模拟自动舵系统

自动舵系统是建立船舶操纵离线模拟模型所要解决的关键因素之一，本文给出了一种船舶操纵模拟自动舵系统，该系统可以对船舶出入港时受到的复杂载荷，如风，浪，流，限制性航道等做出合理反应，可以应用于船舶出入港操纵运动的离线模拟中。     

基于SD卡舰舵参数采集传输系统设计

针对目前VDR中舰舵参数的提取困难问题,设计一种以C8051F500单片机为主控制器,SD卡为安全存储介质,GPRS-DTU为传输设备的采集传输系统,实现对舰船自动舵的航向、舵角、位置等参数的采集、存储和传输,为舰船运动模型参数辨识提供实验依据,并能优化自动舵的控制率。     

Robust autopilot with wave filter for ship steering

Research was done to overcome traditional problems associated with automatic steering systems of a ship in a seaway. A ship＇ s dynamic model with wave disturbances was built and a wave filter was designed by means of an extended states observer （ESO）. The model estimated the low frequency motion component from a heading measurement corrupted by colorednoise, so back-and-forth steering caused by high frequency wave disturbances was avoided. At the same time, a robust autopilot system, designed by variable structure control theory, was presented. Simulation results achieved in dangerous sea status show that the wave filter works very well and the autopilot has strong robustness to environmental disturbances and model perturbation, and more importantly, the frequency of rudder adjustments is reduced noticeably.     

PID自动舵的自整定专家系统

提出了一种基于专家系统的PID自动舵,利用专家的经验知识和控制规则调节PID控制舵的参数,从而达到对船舶的平稳控制,仿真结果表明控制性能好且实现成本低.     

基于单片机在渔业船舶随动舵控制系统的设计

介绍单片机在渔业船舶随动舵控制系统中的应用，针对目前渔业船舶随动舵的故障情况，采用一款高性能，强抗干扰的单片机对渔业船舶随动舵控制系统进行改进。经试验检测．控制精度和稳定度比原系统有了很大的提高并获得了良好的控制效果。     

基于反馈线性化的船舶自动舵动态滑模控制

针对船舶自动舵的航向控制问题,结合高阶滑模和动态滑模控制的设计思想设计了一种船舶自动舵动态滑模控制器.首先设计出包含舵机特性的船舶航向控制仿射非线性系统模型,其次通过状态反馈的方法将原模型变为等价的完全可控型线性化系统,然后设计出动态滑模控制器.仿真结果表明,所设计的动态滑模控制器不仅能很好的自动跟踪设定的航向,而且能有效的抑制系统的抖振现象,达到设计目的,为研究船舶自动舵控制提供一种参考.     

在线自整定PID船舶自动舵的设计与实现

介绍了常规PID自动舵参数整定的困难,简述了继电型自整定PID控制的基本原理及PLC实现的基本方法,提出了基于PLC的在线自整定PID船舶自动舵的设计和实现方案,该自整定PID自动舵能够自动适应船况和海况的变化,实现PID参数无扰动切换、变增益调节、抗积分饱和、微分先行等功能,克服了常规PID舵机振荡等缺陷。实船应用表明,该自整定PID船舶自动舵的有效性。     

磁角度传感器在舵角采集中的应用

舵角采集是现代自动舵控制系统中的重要组成部分。针对传统舵机控制系统中舵角的模拟采集存在的精度,成本等问题,提出了采用AS5040对舵角进行数字采集。通过对磁角度传感器AS5040的工作原理分析,介绍了其在舵角反馈机构中的应用及软、硬件设计。相对传统的角度采集方式,采用AS5040对角度进行数字化采集的方式能够克服模拟信号的不稳定性。同时由于获得的角度信号是数字量,可以确保其与数字电路进行无缝链接,避开了模拟信号中间复杂的A/D采样过程。且AS5040成本低廉,可以更加广泛应用。