基于PID算法的船舶航跡自動(dòng)控制

4 航跡控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
航跡控制系統(tǒng)的其主要功能有對(duì)船體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制船體運(yùn)動(dòng)和與遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,控制系統(tǒng)組成如圖5所示。

主控制系統(tǒng)以DSP2812芯片為處理器,搭建船舶航跡控制主控系統(tǒng)。通過串口方式接收上位機(jī)發(fā)送的不同遙控指令信息并進(jìn)行解碼,實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)、齒輪箱及舵機(jī)的遙控控制,其中包括柴油機(jī)的啟車控制、停車控制和轉(zhuǎn)速控制;舵機(jī)控制系統(tǒng)的操舵控制;同時(shí),主控系統(tǒng)還將采集到柴油機(jī)及船舶的各種狀態(tài)信息并通過通訊接口實(shí)時(shí)發(fā)送至遙控計(jì)算機(jī)上,實(shí)現(xiàn)遙控計(jì)算機(jī)對(duì)船體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。
遙控計(jì)算機(jī)通過無(wú)線通訊模塊與主控系統(tǒng)進(jìn)行信息通訊,獲取船體當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),其中包括船體的實(shí)時(shí)位置信息、航速信息、當(dāng)前檔位信息以及當(dāng)前舵角信息。當(dāng)進(jìn)行航跡自動(dòng)控制時(shí)遙控計(jì)算機(jī)需要向主控系統(tǒng)發(fā)送計(jì)劃航跡點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)及啟動(dòng)航跡自動(dòng)控制指令信息,主控系統(tǒng)在接收到上述指令后,控制系統(tǒng)開始進(jìn)行航跡控制計(jì)算,利用計(jì)算輸出的舵角控制指令及速度控制指令分別對(duì)舵機(jī)控制系統(tǒng)、柴油機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)航跡控制功能。
遙控計(jì)算機(jī)還可通過舵角控制指令完成遙控轉(zhuǎn)舵任務(wù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控控制船體改變航向的功能。當(dāng)需要改變船舶航速時(shí),可利用遙控計(jì)算機(jī)的速度控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)船體的航行速度控制。

5 實(shí)驗(yàn)分析
為驗(yàn)證本系統(tǒng)可行性,在3級(jí)海況下以一艘30噸小型船為控制對(duì)象,該船的船長(zhǎng)L為25m,船寬B為5m,滿載吃水為1m,航速為7.5m/s進(jìn)行了基于視線導(dǎo)航策略的船舶航跡PID自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。
航跡自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)曲線如圖6所示,其中虛線為規(guī)劃航跡,實(shí)線為實(shí)際航跡曲線。從圖6中可以看出,實(shí)際航跡與規(guī)劃航跡平均誤差在16m范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了航跡自動(dòng)保持的控制效果。

6 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的航跡跟蹤控制方法與航向PID控制系統(tǒng)相結(jié)合形成的船舶航跡自動(dòng)控制系統(tǒng),在行為功能上模仿了人工操舵的控制特征。航跡自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)證明本文提出的航跡自動(dòng)控制算法能夠使船舶按照設(shè)定的航跡自動(dòng)航行,從而證明了本文所提出的航跡自動(dòng)控制系統(tǒng)的可行性。

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