基于PID算法的船舶航跡自動控制

1 引言
當船舶在大海中航行時,通常利用自動舵系統(tǒng)改變舵角從而使船舶沿著期望的航跡自動航行[1]。自動舵系統(tǒng)是根據航跡偏差信息自動完成操縱舵機的裝置,是在隨動操舵基礎上發(fā)展起來的一種自動控制操舵方式。它可以代替人工操舵,保持船舶在設定航向或預定航跡上航行,實現(xiàn)航向保持、航向改變以及航跡保持的功能。自動舵不僅可以減輕舵手的勞動強度,而且在遠航時,在相同的航行條件下,可以減少偏航次數(shù),減小航向偏差,從而提高航速,縮短航行時間,節(jié)省燃料,提高航行的經濟效益[2,3]。

2 視線掃描導航系統(tǒng)設計
2.1 航跡控制方案設計
航跡控制分為直接航跡控制和間接航跡控制。直接航跡控制是依據航跡偏差直接改變舵角,從而使船舶的實際航跡能夠跟蹤期望航跡。間接航跡控制是通過航跡偏差計算期望的航向信息,再利用期望的航向與實際船舶航向的偏差改變舵角,從而實現(xiàn)航跡控制。

本文采用間接航跡控制方式,如圖1所示,內環(huán)為船的舵角控制,用于操縱舵機使實際舵角與規(guī)劃舵角一致,從而使船舶航向發(fā)生改變,中環(huán)為船的航向控制,是將GPS測量的當前船舶航向與航向規(guī)劃器產生的期望航向相比較,航向誤差送入航向PID控制器,從而產生期望的舵角變化值,外環(huán)為船舶的航跡控制,通過航跡跟蹤算法計算可以消除航跡偏差的規(guī)劃航向。
2.2 航跡跟蹤方式

船舶在航行過程中受到風、浪及海流等因素的影響,出現(xiàn)航跡偏差問題。本文通過GPS系統(tǒng)獲取的船舶實際位置信息對航跡偏差進行解算,以獲取可消除航跡偏差的航向修正角度。圖2所示為航跡跟蹤方式原理圖。人工駕駛時,船舶駕駛人員會在一定的視線區(qū)域實時觀察船舶前方有無障礙物和是否偏離期望的航跡。因此在船舶航跡自動控制時,模擬人工駕駛設定視線掃描區(qū)域,當航跡偏差在一定范圍時,視線掃描區(qū)域與預定航跡相交于航跡瞄準點P。當前船位與航跡瞄準點P形成的航跡瞄準方向即為經視線導航策略導出的規(guī)劃航向角度。利用GPS系統(tǒng)反饋的船舶位置、航向信息以及設定的航跡信息可計算出當前的規(guī)劃航向角度從而解算出可消除航跡偏差的規(guī)劃航向角度。解算具體過程如下所示。
計劃航跡向角度可通過計劃航跡點坐標解算獲得:

其中為從赤道到緯度的緯線之間的距離,即

將A、B點的緯度坐標代入到式(3)計算出數(shù)值,再利用(2)式可解算出計劃航跡向角度由于航跡瞄準點P在計劃航向AB上,所以用AP點、PB點計算出的航向角度與計劃航向相同。
利用式(1)、(2)即可計算出航跡瞄準點P位置坐標。由此可利用式(1)得到當前船位點與瞄準點形成的規(guī)劃航向角度值。
經視線導引策略解算出的規(guī)劃航向角將傳遞到航向控制系統(tǒng)中。通過對船舶的航向控制使船舶按規(guī)劃航向角度方向行駛,從而使船舶相對于預定航線的偏差逐漸趨向零。該跟蹤規(guī)律可以使船舶在逼近預定航線縮短航跡偏差的同時,使得船舶航向角度趨近于預定航線的航向角。