薛國威　包蕓　陳禮建　向晉祥

摘要：介紹了船舶自動舵的控制方法，結合當前航海科學技術的發(fā)展，提出了船舶自動舵系統(tǒng)的功能集約化、遠程網絡化、裝備內河化、無人駕駛化的發(fā)展趨勢及其應用需要注意的問題。

關鍵詞：自動舵；航向保持控制；自適應控制；智能控制

中圖分類號：U675.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）07-0047-02

船舶自動操舵儀（Autopilot），俗稱自動舵，是根據指令信號自動操縱舵機，實現船舶在給定航向或航跡上航行的助航系統(tǒng)。隨著計算機、通信及控制技術的發(fā)展，船舶自動舵正向智能化和綜合型發(fā)展。性能優(yōu)良的自動操舵儀可以減輕舵手的勞動強度，高精度的保持船舶航向、航跡，減少偏航次數及偏航值，提高船舶的安全性、操縱性和經濟效益，因此一直受到國內外很多研究人員的關注。

1 船舶自動舵的控制方法

自動舵的發(fā)展大體分為四個階段：機械式自動舵、PID自動舵、自適應自動舵和智能自動舵。

1.1 機械式自動舵

船舶自動舵的歷史起源于陀螺羅經的發(fā)展。1911年，El-mer Sperry將陀螺羅經應用于船舶自動轉向，通過反饋控制和自動進行舵角修正，實現模擬人工操作。此種自動舵的精度比較低，被稱為第一代自動舵。

1.2 PID自動舵

20世紀50年代，出現了集控制技術和電子器件發(fā)展成果于一體的PID自動舵。經典的PID控制器結構方程為：

δ=K1φ+K2φ+K3？φdt

式中δ、φ分別為舵角信號和航向偏差信號；K為比例常數；K3？φdt為抵消風力矩的航向偏差積分項。

由上述經典方程可以看出，PID自動舵的控制參數較少、結構簡單，易于推廣應用。然而，當船舶處于惡劣海況等復雜航行條件下時，人工調節(jié)參數無法滿足外界條件的隨時變化，降低了PID自動舵的適應性。

1.3 自適應自動舵

隨著自適應控制應用于船舶自動舵設計，大大提高了航向控制的精度，提高了惡劣海況條件下自動舵的適應性。陸祥潤等人采用了對偏航速率進行加權的最小方差自校正控制方案，進行了自適應舵的研究，該自動舵比PID自動舵具有更好的控制效果。但自適應控制系統(tǒng)比常規(guī)的控制系統(tǒng)要復雜得多，不僅與價值函數的有關，也與環(huán)境干擾模型有關，當船舶處于風、浪、流等外界干擾因素同時存在的條件下，自適應自動舵并不能實現完全自動的最優(yōu)操作。

1.4 智能自動舵

從20世紀80年代開始，人們開始探索模擬人工操作的智能控制方法，以更好的適應船舶系統(tǒng)的非線性和外界環(huán)境的不確定性。其中比較典型的控制算法有：專家系統(tǒng)、模糊控制、神經網絡控制、變結構控制、返步法控制等。

1.4.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個具有大量專門知識的程序系統(tǒng)，進而模擬人類的決策過程解決復雜問題。Brown等人采用模擬人工操作的專家系統(tǒng)方法，通過研究人工操作與普通自動舵控制的差異，建立規(guī)則庫以便修正自動舵的特性。

1.4.2 模糊控制

模糊控制是根據航向偏差、偏差變化率兩個輸入量，經過模糊邏輯控制器運算給出舵角指令，再經過隨動系統(tǒng)和執(zhí)行機構作用于操舵裝置，從而實現航向保持控制。模糊控制不需要建立精確的數學模型，算法簡單，便于實時控制。2005年，郭晨等人研究了一種帶有資格跡的模糊小腦模型關節(jié)控制器用于船舶航向保持控制，將資格跡引入控制器神經網絡中，可對系統(tǒng)超前預測，對控制器參數進行學習與調整。

1.4.3 神經網絡控制

神經網絡是一個高度非線性系統(tǒng)，具有非線性映射、自學習、自組織、自適應、聯(lián)想記憶、并行計算等能力。20世紀90年代開始應用于自動舵研究。Witt等人利用GPS給出船舶的精確位置，采用PD舵控制信號作為神經舵的教師信號，經過100種給定航線訓練神經網絡，仿真結果表明對未學習過的任意航線，神經網絡控制器可達到與PD控制器基本相同的控制效果。智能自動舵目前還處于研究階段，有著非常廣闊的應用前景。由于各種控制算法都有其優(yōu)缺點，因此，近年來，自動舵的控制方法研究正向不同控制算法相結合的方向發(fā)展，如PID與模糊控制相結合、PID與神經網絡結合，模糊控制和神經網絡結合等，不斷提高自動舵的精確性和適應性。

2 自動舵的發(fā)展趨勢

2.1 功能集約化

隨著自動舵與船舶其他助航設備的綜合研究越來越深入，將逐步形成以自動舵為核心的綜合導航系統(tǒng)，智能集合電子海圖顯示和信息系統(tǒng)（ECDIS）、氣象導航、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）等功能信息，優(yōu)化航線規(guī)劃與臺風規(guī)避決策，提高船舶自動導航安全水平。

2.2 遠程網絡化

隨著網絡通信技術和計算機技術的發(fā)展，自動舵將由船舶控制向網絡控制方向發(fā)展，通過衛(wèi)星網絡實現岸基對船舶的遠程控制，初步實現“無人駕駛臺”，促使駕駛員由“操作者”向“輔助監(jiān)督”角色轉變；綜合天氣、海況、船舶配載等信息，遠程制定航行策略，為船長提供決策支持；可視化船舶現場場景，充分利用岸基的資源優(yōu)勢，有效應對船員傷病醫(yī)療指導、船舶海事救助、海盜劫持等突發(fā)事件。

2.3 裝備內河化

受限于自動舵控制技術精度限制，及內河航道尺度、數字化程度、通航密度、內河船舶設備狀況等方面的客觀條件，自動舵很少應用于長江等內河船舶。隨著長江等內河航道智能化建設、智能控制技術的發(fā)展，自動舵將以助航設備的身份逐步適用于內河船舶，參與“輔助導航”，提高長江等內河航運的智能化、科技化水平。

2.4 無人駕駛化

在遠景將來，在實現覆蓋全球海域的“海事空間信息傳輸系統(tǒng)”，達成各個岸上航運中心與其船舶之間的控制信息傳遞的基礎上，船舶航行將從目前的多人操作逐步變?yōu)閱稳笋{駛臺，進而實現船舶的無人駕駛化。自動舵的設計制造是無人駕駛船舶的基礎，無人駕駛也將對自動導航系統(tǒng)提出更高要求。操縱人員可以通過對自動舵綜合導航系統(tǒng)的控制，調整無人船運動態(tài)勢，實現安全、經濟航行。

3 使用自動舵系統(tǒng)需要考慮的問題

自動舵系統(tǒng)是目前最先進、技術最復雜的船舶助航設備之一，在船舶安全、經濟航行，降低船舶操縱人員的勞動強度等方面做出了重要貢獻。然而，過度依賴自動舵系統(tǒng)，或者對其功能的局限性了解不足，也將導致船舶安全事故。因此，提出以下幾點在安全、有效地使用自動舵時需要考慮的問題。

3.1 通航密度

在通航密度較大、狹水道、通航分道及其他限制性水域，不建議使用自動舵。目前的自動舵系統(tǒng)無法適應上述水域的限制性要求，完成及時轉向等避讓措施存在較大困難，容易導致船舶碰撞事故。

3.2 天氣條件

在惡劣天氣和復雜海況等條件下不建議使用自動舵，不受控制的持續(xù)性偏航將導致自動舵運動多度，無法完成安全的抗風浪航行措施，增加安全事故風險，也可能導致其他設備、系統(tǒng)問題。

3.3 陀螺羅經

自動舵系統(tǒng)的功能實現基礎在于陀螺羅經的航向信息。如果陀螺羅經出現錯誤或設備異常，自動舵系統(tǒng)將無法進行航向跟蹤，完成航向保持控制。在出現陀螺羅經斷電等故障時，應立即切換到手動操作模式，使用電羅經導航。

3.4 航行速度

自動舵系統(tǒng)的效率會隨船舶速度的降低而下降。因此，不建議船舶在較低速度航行時使用自動舵。

4 結語

文章對國內外船舶自動舵的控制方法進行了分類介紹，結合航海科學技術發(fā)展方向，提出了船舶自動舵系統(tǒng)的功能集約化、遠程網絡化、裝備內河化、無人駕駛化四個發(fā)展趨勢，并在通航密度、天氣條件、陀螺羅經、航行速度四個方面提出了安全有效的使用自動舵系統(tǒng)的注意事項。自動舵的有關研究將極大的促進我國在船舶操縱模擬器方面的進步，填補業(yè)界在內河船舶操縱模擬方面的空白。自動舵的發(fā)展對提高船舶的航行安全，減少船舶能源消耗和污染排放有重要意義。