船舶自动舵控制技术的发展

薛国威　包芸　陈礼建　向晋祥

摘要：介绍了船舶自动舵的控制方法，结合当前航海科学技术的发展，提出了船舶自动舵系统的功能集约化、远程网络化、装备内河化、无人驾驶化的发展趋势及其应用需要注意的问题。

关键词：自动舵；航向保持控制；自适应控制；智能控制

中图分类号：U675.9 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）07-0047-02

船舶自动操舵仪（Autopilot），俗称自动舵，是根据指令信号自动操纵舵机，实现船舶在给定航向或航迹上航行的助航系统。随着计算机、通信及控制技术的发展，船舶自动舵正向智能化和综合型发展。性能优良的自动操舵仪可以减轻舵手的劳动强度，高精度的保持船舶航向、航迹，减少偏航次数及偏航值，提高船舶的安全性、操纵性和经济效益，因此一直受到国内外很多研究人员的关注。

1 船舶自动舵的控制方法

自动舵的发展大体分为四个阶段：机械式自动舵、PID自动舵、自适应自动舵和智能自动舵。

1.1 机械式自动舵

船舶自动舵的历史起源于陀螺罗经的发展。1911年，El-mer Sperry将陀螺罗经应用于船舶自动转向，通过反馈控制和自动进行舵角修正，实现模拟人工操作。此种自动舵的精度比较低，被称为第一代自动舵。

1.2 PID自动舵

20世纪50年代，出现了集控制技术和电子器件发展成果于一体的PID自动舵。经典的PID控制器结构方程为：

δ=K1φ+K2φ+K3？φdt

式中δ、φ分别为舵角信号和航向偏差信号；K为比例常数；K3？φdt为抵消风力矩的航向偏差积分项。

由上述经典方程可以看出，PID自动舵的控制参数较少、结构简单，易于推广应用。然而，当船舶处于恶劣海况等复杂航行条件下时，人工调节参数无法满足外界条件的随时变化，降低了PID自动舵的适应性。

1.3 自适应自动舵

随着自适应控制应用于船舶自动舵设计，大大提高了航向控制的精度，提高了恶劣海况条件下自动舵的适应性。陆祥润等人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究，该自动舵比PID自动舵具有更好的控制效果。但自适应控制系统比常规的控制系统要复杂得多，不仅与价值函数的有关，也与环境干扰模型有关，当船舶处于风、浪、流等外界干扰因素同时存在的条件下，自适应自动舵并不能实现完全自动的最优操作。

1.4 智能自动舵

从20世纪80年代开始，人们开始探索模拟人工操作的智能控制方法，以更好的适应船舶系统的非线性和外界环境的不确定性。其中比较典型的控制算法有：专家系统、模糊控制、神经网络控制、变结构控制、返步法控制等。

1.4.1 专家系统

专家系统是一个具有大量专门知识的程序系统，进而模拟人类的决策过程解决复杂问题。Brown等人采用模拟人工操作的专家系统方法，通过研究人工操作与普通自动舵控制的差异，建立规则库以便修正自动舵的特性。

1.4.2 模糊控制

模糊控制是根据航向偏差、偏差变化率两个输入量，经过模糊逻辑控制器运算给出舵角指令，再经过随动系统和执行机构作用于操舵装置，从而实现航向保持控制。模糊控制不需要建立精确的数学模型，算法简单，便于实时控制。2005年，郭晨等人研究了一种带有资格迹的模糊小脑模型关节控制器用于船舶航向保持控制，将资格迹引入控制器神经网络中，可对系统超前预测，对控制器参数进行学习与调整。

1.4.3 神经网络控制

神经网络是一个高度非线性系统，具有非线性映射、自学习、自组织、自适应、联想记忆、并行计算等能力。20世纪90年代开始应用于自动舵研究。Witt等人利用GPS给出船舶的精确位置，采用PD舵控制信号作为神经舵的教师信号，经过100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，神经网络控制器可达到与PD控制器基本相同的控制效果。智能自动舵目前还处于研究阶段，有着非常广阔的应用前景。由于各种控制算法都有其优缺点，因此，近年来，自动舵的控制方法研究正向不同控制算法相结合的方向发展，如PID与模糊控制相结合、PID与神经网络结合，模糊控制和神经网络结合等，不断提高自动舵的精确性和适应性。

2 自动舵的发展趋势

2.1 功能集约化

随着自动舵与船舶其他助航设备的综合研究越来越深入，将逐步形成以自动舵为核心的综合导航系统，智能集合电子海图显示和信息系统（ECDIS）、气象导航、船舶自动识别系统（AIS）等功能信息，优化航线规划与台风规避决策，提高船舶自动导航安全水平。

2.2 远程网络化

随着网络通信技术和计算机技术的发展，自动舵将由船舶控制向网络控制方向发展，通过卫星网络实现岸基对船舶的远程控制，初步实现“无人驾驶台”，促使驾驶员由“操作者”向“辅助监督”角色转变；综合天气、海况、船舶配载等信息，远程制定航行策略，为船长提供决策支持；可视化船舶现场场景，充分利用岸基的资源优势，有效应对船员伤病医疗指导、船舶海事救助、海盗劫持等突发事件。

2.3 装备内河化

受限于自动舵控制技术精度限制，及内河航道尺度、数字化程度、通航密度、内河船舶设备状况等方面的客观条件，自动舵很少应用于长江等内河船舶。随着长江等内河航道智能化建设、智能控制技术的发展，自动舵将以助航设备的身份逐步适用于内河船舶，参与“辅助导航”，提高长江等内河航运的智能化、科技化水平。

2.4 无人驾驶化

在远景将来，在实现覆盖全球海域的“海事空间信息传输系统”，达成各个岸上航运中心与其船舶之间的控制信息传递的基础上，船舶航行将从目前的多人操作逐步变为单人驾驶台，进而实现船舶的无人驾驶化。自动舵的设计制造是无人驾驶船舶的基础，无人驾驶也将对自动导航系统提出更高要求。操纵人员可以通过对自动舵综合导航系统的控制，调整无人船运动态势，实现安全、经济航行。

3 使用自动舵系统需要考虑的问题

自动舵系统是目前最先进、技术最复杂的船舶助航设备之一，在船舶安全、经济航行，降低船舶操纵人员的劳动强度等方面做出了重要贡献。然而，过度依赖自动舵系统，或者对其功能的局限性了解不足，也将导致船舶安全事故。因此，提出以下几点在安全、有效地使用自动舵时需要考虑的问题。

3.1 通航密度

在通航密度较大、狭水道、通航分道及其他限制性水域，不建议使用自动舵。目前的自动舵系统无法适应上述水域的限制性要求，完成及时转向等避让措施存在较大困难，容易导致船舶碰撞事故。

3.2 天气条件

在恶劣天气和复杂海况等条件下不建议使用自动舵，不受控制的持续性偏航将导致自动舵运动多度，无法完成安全的抗风浪航行措施，增加安全事故风险，也可能导致其他设备、系统问题。

3.3 陀螺罗经

自动舵系统的功能实现基础在于陀螺罗经的航向信息。如果陀螺罗经出现错误或设备异常，自动舵系统将无法进行航向跟踪，完成航向保持控制。在出现陀螺罗经断电等故障时，应立即切换到手动操作模式，使用电罗经导航。

3.4 航行速度

自动舵系统的效率会随船舶速度的降低而下降。因此，不建议船舶在较低速度航行时使用自动舵。

4 结语

文章对国内外船舶自动舵的控制方法进行了分类介绍，结合航海科学技术发展方向，提出了船舶自动舵系统的功能集约化、远程网络化、装备内河化、无人驾驶化四个发展趋势，并在通航密度、天气条件、陀螺罗经、航行速度四个方面提出了安全有效的使用自动舵系统的注意事项。自动舵的有关研究将极大的促进我国在船舶操纵模拟器方面的进步，填补业界在内河船舶操纵模拟方面的空白。自动舵的发展对提高船舶的航行安全，减少船舶能源消耗和污染排放有重要意义。