CN112947445B - 一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，包括显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元三个部分，本发明考虑航海人员在航海工程实践中的船舶操纵需求进行功能设计，并根据功能设计分布式结构，从而提高航迹舵***的可靠性。通过控制中心单元实现了双CAN总线条件下的冗余通信，与单CAN总线通讯相比能够有效识别通讯错误并处理，具有无需人工介入，自行重发的优点，保证了航迹舵***全天候的安全稳定通讯。
Description
技术领域
本发明涉及船舶控制工程与船舶自动化航行装备技术领域，尤其涉及一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***。
背景技术
船舶在具体航行过程中，通过主机带动螺旋桨进行推进，借助操舵***实现保持及改变航向。随着科技及技术的发展，船舶自动化程度越来越高，操舵方式由手操舵发展为不需人为干预的航向保持航迹舵，再到现如今的人为设置航路点，船舶自动沿着航路点行驶的航迹保持航迹舵。
在具体工程实践中，主要是由计算机/单片机通过接收航向、航速及位置信息，结合目标航向/位置指令进行运算，输出主机转速、舵令等指令信号来控制舵机、主机等执行器，使船舶自动、稳定的航行于计划航向/航线上。因此航迹舵的性能对于船舶航行的安全性、经济性、操纵性至关重要。
当前，船舶航迹舵主要可分为航向保持航迹舵与航迹保持航迹舵，航向保持航迹舵主要组成为主机，配合操纵面板来调整使用参数，用指针式仪表进行显示，仅能实现航向保持功能。航迹保持航迹舵主要组成为主机外接图形显示屏操控面板，与航向保持航迹舵相比具有屏幕显示功能，参数调节范围广，能够实现根据设定航线进行航迹保持功能。但因为海上环境复杂多变，船舶会受到外界环境(风、浪、流等)因素的干扰，同时船舶具有大惯性、强时滞的特点，致使船舶实际控制控制存在着强非线性与不确定性，难以达到目标效果。
从算法角度看，当前主流航向舵主要采用传统PID控制算法，通过面板调节比例、积分、微分三种控制参数来调整控制效果，具有调整简单、稳定性好的优点，但由于其控制过程是离线的，导致对外界环境没有适应能力。现有技术中的航迹舵***主要存在的缺点：一是为机械式航迹舵***，具体参数需要人为调节，对环境没有适应能力，对驾驶员的素质要求较高；二是为单机***，不能够和综合驾驶台进行信息交互，不满足航海智能化的需求。
发明内容
本发明提供一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，以克服上述技术问题。
本发明一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，包括：
显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元；
所述显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元之间通过CAN1总线与CAN2总线进行信息交互；
所述显示设置单元，包括：主显示设置模块和副显示设置模块；
所述主显示设置模块，用于设置航迹/航向保持模式、航迹参数、操舵模式及主驾驶台的操纵参数，发送所述控制中心单元进行处理，并显示所述控制中心单元发送的舵角和舵机状态信息；
所述副显示设置模块，用于设置副驾驶台的操纵参数，并发送所述控制中心单元进行处理，显示所述控制中心单元处理后获得的操纵数据，及从综合导航***获得的航海参数；
所述控制中心单元，用于根据所述航迹/航向保持模式、航迹参数、操舵模式及主驾驶台和副驾驶台的操纵参数，并结合从综合导航***获取的船舶当前航行数据，通过计算形成操舵指令发送所述舵机指令交互单元，并将所述舵机指令交互单元返回的舵角和舵机状态信息发送所述主显示设置模块显示；用于控制CAN1总线和CAN2总线的通信信道选取；
所述舵机指令交互单元，用于根据所述操舵指令向舵机***发送指令舵角，接收舵机***的舵角与舵机状态信息，并发送所述控制中心单元。
进一步地，所述航迹参数，包括：航迹向、规划航迹、航路点；所述操舵模式，包括：待机、非随动、随动、自动模式；所述主驾驶台和副驾驶台的操纵参数，包括：舵角、航向、航速；所述航海参数，包括：气象信息、水深信息、船舶当前航行参数及导航参数；所述气象信息，包括：真风速风向、相对风速风向、海流大小方向；所述水深信息，包括：实际水深、警戒水深；所述船舶当前航行参数，包括：船舶当前的舵角、横摇角、纵摇角、鳍角、实际航向、指令航向、偏航距、回转速率、主机转速，以及操舵模式；所述导航参数，包括：罗经航向、位置坐标、对地航向、对地航速及计程仪航速；所述舵机状态信息，包括：舵机当前的舵角、油温、液压信息。
进一步地，还包括：监控报警单元；所述监控报警单元，用于监测所述显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元的运行状态，并根据所述运行状态将运行状态信息、告警信息、故障信息发送至所述显示设置单元进行显示。
进一步地，所述显示设置单元、控制中心单元、监控报警单元及舵机指令交互单元之间通过CAN1总线与CAN2总线进行连接通信；默认使用CAN1总线进行通信，所述控制中心单元每隔1S向CAN1总线发送应答信号，若CAN1总线收到应答信号，则说明CAN1通讯正常，继续选择CAN1总线作为通信信道；若没有收到应答信号，延迟0.5S***将问询CAN1状态，若CAN1总线没有应答，则进行故障标记，发送报警指令至所述监控报警单元，并启用CAN2总线作为通信信道；在使用CAN2总线作为通信信道时，所述控制中心单元定时向CAN1总线发送应答信号，若CAN1总线应答，则取消CAN1总线的故障标记，并控制所述监控报警单元停止报警。
进一步地，所述控制中心单元，还用于控制所述主显示设置模块与副显示设置模块之间权限转换；当选择所述主显示设置模块有效时，副驾驶台处于待机状态，所述副显示设置模块状态显示为被动状态；当选择所述副显示设置模块有效时，所述主驾驶台处于待机状态，所述主显示设置模块显示为被动状态。
进一步地，所述主显示设置模块，还用于进行***设置、安装设置、网络设置、工作情景设置及报警设置。
本发明包括显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元三个部分，本发明考虑航海人员在航海工程实践中的船舶操纵需求进行功能设计，并根据功能设计分布式结构，从而提高航迹舵***的可靠性。通过控制中心单元实现了双CAN总线条件下的冗余通信，与单CAN总线通讯相比能够有效识别通讯错误并处理，具有无需人工介入，自行重发的优点，保证了航迹舵***全天候的安全稳定通讯。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的网络拓扑结构图；
图2为本发明中实现航迹保持功能的信息交互示意图；
图3为本发明的双CAN总线冗余通信流程图；
图4为本发明的实物仿真模拟结构示意图；
图5为本发明的仿真试验中航迹保持模式的航迹保持图；
图6为本发明的仿真试验中航向保持模式的航迹保持图；
图7为本发明的仿真试验中航向保持模式测试结果对比图；
图8为本发明的仿真试验中航迹保持模式测试结果对比图；
图9为船舶航行/航迹保持的基本原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
航迹舵***作为船舶航行的核心设备，主要用于船舶在大洋、开阔水域中进行航向/航迹保持辅助驾驶员进行船舶操纵，其自动化程度决定了船舶自动驾驶的自动化程度。传统航迹舵***从电罗经、测速仪、GNSS等各传感器采集航向、转向速率、航速和位置等船舶航行实时信息，经航迹舵控制器计算得到控制舵角，并将舵令传达给舵机进行控制，这些数据的传递需要通过航迹舵控制网络来实现。
现如今船舶综合导航台集合了GNSS、电罗经、计程仪、AIS、雷达等航海设备组成船舶综合导航***，如图2所示，本发明的航迹舵***从综合导航台获取船舶的实时位置、航向、航速等船舶航行状态信息，同时向综合导航台发送舵角等航迹舵状态信息，与舵机***进行指令舵角与实际舵角、舵机状态的发送与接收，来实现航向/航迹保持功能。
船舶航行/航迹保持的基本原理如图9所示，船舶驾驶人员设定船舶的期望位置和艏向ηd，它包括期望位置(x,y)和期望航向ψ。船舶航向/航迹保持控制器通过控制柴油机转速、侧推器和舵机等船舶动力装置，从而改变控制力和力矩τ，从而使船舶保持在期望位置/期望航向上。环境扰动τw为船舶在海洋中行驶时遭受风、流、浪等造成的外部环境扰动，其会造成船舶的位置和航向发生变化，变化后的实际位置和航向信息ηd将会被反馈给控制器并与期望信号相比较，从而使控制器改变动力装置的运行状态，使船舶能够保持在期望状态。
如图1所示，本实施例提供了一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，包括：显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元；显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元之间通过CAN1总线与CAN2总线进行信息交互；其中，显示设置单元包括主显示设置模块和副显示设置模块；
主显示设置模块是航迹舵***的核心显示与操作设备，用于各种工况下的船舶操纵数据设置及显示，其设置的内容主要包括：设置航迹保持模式或航向保持模式；设置航迹向、规划航迹、航路点，航迹向指的是根据人为设置的航路点所生成计划航迹的方向；设置待机、非随动、随动、自动模式；设置主驾驶台和副驾驶台对船舶操纵时所需的舵角、航向、航速数据。显示的内容主要包括：舵机指令交互单元返回控制中心单元的船舶航行时的舵角、航向、航速数据，以及***设置、安装设置、网络设置、工作情景设置、规划航迹及修改航路点画面。
所述副显示设置模块位于船桥两侧，主要用于航海信息显示及靠离泊过程中进行随动操作，功能包括气象(真风速风向、相对风速风向、海流大小方向)、水深(实际水深、警戒水深)、船舶和海况参数(舵角、横摇角、纵摇角、鳍角、实际航向、指令航向、偏航距、回转速率、主机转速、当前操舵模式等)、导航参数(罗经航向、位置、对地航向、对地航速、计程仪航速)、报警信息、设置界面(***设置、网络设置、报警设置画面、数据源选择等)显示，在副显示设置模块操作模式下的随动操舵。
控制中心单元是航迹舵***的核心计算与通讯设备，功能包括控制算法实现、***设备的通讯、操舵权限转换。控制算法的实现：计算航迹/航向保持模式、航迹参数、操舵模式及主驾驶台和副驾驶台的操纵参数等信息，结合综合导航台获取船舶航向航速等信息，从而实现航迹舵航向、航迹等控制算法的实现。与***设备的通讯：与主显示设置模块之间交换实时参数和实时数据、进行各种工况之间的逻辑判断和状态输出、与综合导航台进行信息交互，通过RS-422接口接收导航气象设备的气象、水深、航速、航向、航线、位置等信息，通过RS-422接口向综合导航台发送航迹舵状态信息、进行航迹舵***内各设备进行信息交互，通过双冗余的CAN接口与舵机指令交互单元之间实时传送舵令、舵角和设置参数等，通过CAN总线与副显示设置模块之间进行舵令、舵角等实时数据通讯。进行主显示设置模块和副显示设置模块之间的操舵权限状态转换：当选择主显示设置模块有效时，副驾驶台处于待机状态，副显示设置模块状态显示为被动状态；当选择副显示设置模块有效时，主驾驶台处于待机状态，主显示设置模块显示为被动状态。
操舵权限状态转换具体是通过识别操作位置特征字符，本设备用0代表主显示设置模块位置，1代表副显示设置模块位置。***默认特征符为0，即主显示设置模块位置，此时副显示设置模块显示界面为灰色，仅显示航海、气象等信息，不能进行收发舵令。控制中心单元接收主显示设置模块舵令并转发给舵机指令交互单元；当在进行靠离泊或者其他需要副显示设置模块操船情况时，在主显示设置模块设置菜单栏中选择操舵位置为副显示设置模块，此时特征符变为1，主显示设置模块不能进行操舵，副显示设置模块界面正常颜色显示，可进行操舵，此时计算主机接收副显示设置模块舵令并转发给舵机指令交互单元。
舵机指令交互单元主要与舵机***进行信息交互，向舵机***发送指令舵角，接收舵机实际舵角与舵机***的共做状态。
如图1所示，本实施例中的航迹舵***还包括监控报警单元。监控报警单元，用于监测显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元的运行状态，并根据运行状态将运行状态信息、告警信息、故障信息发送至显示设置单元进行显示，从而可以及时掌握航迹舵***的工作状态，遇有故障及时排除。监控报警单元可以保存至少3个月的故障报警信息，从而可以通过统计故障率对***进行优化改进。
如图3所示，本实施例中的航迹舵***采用双冗余总线型网络通信方式，显示设置单元、控制中心单元、监控报警单元及舵机指令交互单元之间通过CAN1总线与CAN2总线进行连接通信；默认使用CAN1总线进行通信，控制中心单元每隔1S向CAN1总线发送应答信号，若CAN1总线收到应答信号，则说明CAN1通讯正常，继续选择CAN1总线作为通信信道；若没有收到应答信号，延迟0.5S***将问询CAN1状态，若CAN1总线没有应答，则进行故障标记，发送报警指令至监控报警单元，并启用CAN2总线作为通信信道；在使用CAN2总线作为通信信道时，控制中心单元定时向CAN1总线发送应答信号，若CAN1总线应答，则取消CAN1总线的故障标记，并控制监控报警单元停止报警。从而使航迹舵***实现了双CAN总线条件下的冗余通信，与单CAN总线通讯相比能够有效识别通讯错误并处理，在发送错误与故障时，具有无需人工介入，自行重发的优点，保证了航迹舵***全天候的安全稳定通讯。
仿真试验具体如下：
为了验证本发明基于鲁棒自适应的船舶航迹保持自动舵的实际效果，我们分别进行了半实物仿真实验及真实海洋环境中船舶模型实验。半实物仿真实验可以将航迹舵***的各个模块都连接入仿真模拟环境中，具有便于采集数据、安全、经济的优点。真实海洋环境中的船舶模型实验是将航迹舵***与船舶模型通过无线的方式进行连接，主要测试航迹舵***中控制算法及各部分模块的有效性。
在网络式航迹舵的半实物仿真中，被控对象为船舶模型，由另一台计算机模拟实现，选用育鲲轮的数学模型作为被控对象，其主要参数如表1所示。半实物仿真实验***结构如图4所示，航迹舵***与船舶模型通过CAN总线传递信息数据。船舶模型向计算主机模块络发送航速、航向、回转速率、船舶位置等实时航行数据并接收计算主机反馈的航迹舵***各模块工作状况，船舶模型同时进行舵机的模拟，船舶模型从指令控制箱接收舵令，同时向指令控制箱发送舵机实际舵角。船舶模型与指令控制箱、计算主机之间的信息发送周期为1秒。
在航迹舵***半实物仿真实验过程中，对航迹舵***的航迹保持模式(NAV)与航向保持(非漂移)模式(ND)进行测试，其航迹仿真实验结果分别为图5、图6所示。图片左上角为主操面板显示截图，N与ND分别代表当前工作模式为航迹保持模式与航迹保持模式，其正下方为船舶运动数学模型仿真平台，小船图标表示为船舶模型，粉色实线是航迹舵***中根据航路点坐标连接成的目标航迹，黑色虚线是船舶实际航行轨迹，右侧分别为船舶实时姿态信息、海洋环境干扰设置、海图显示设置栏。从图5、图6的结果可知，目标船舶在航迹舵***的控制下，船舶航行轨迹逐渐逼近目标轨迹，实现了船舶航行的航迹/航向控制，验证了航迹舵***的性能。
随后，在真实海洋环境中的船舶模型实验中，船舶模型采用INAC-II号无人艇，其长度为2.0米，宽度0.7米，吃水0.2米，最大航速4m/s，通过无线网桥与电台与岸上航迹舵***进行通讯，通讯速率1HZ。测试地点为大连海事大学凌海校区教学实验码头，环境条件：天气晴，3级海况，最大风速4m/s，风向南风，最大浪高0.7m，平均航速2m/s。主要对航迹舵***的航迹保持模式(NAV)与航向保持(非漂移)模式(ND)进行测试。
如图7所示的航向保持(非漂移)模式(ND)测试结果，左上角为无人机视角，红色实线为期望航迹，无人艇在整个实验过程中始终跟踪期望航迹，路径跟踪误差小于0.1m。
如图8所示的航迹保持模式下回字形航迹测试结果。左上角为无人机视角，红色实线为回字形期望航迹。在实船实验过程中不存在超调，无人艇在整个实验过程中始终跟踪期望航迹，路径跟踪误差小于0.2m，验证了航迹舵***控制算法及各部分模块的有效性。
整体有益效果：
本发明能够实现船舶在各种工作模式下的航迹/航向保持控制，航行状态、舵机状态的监控报警，提高了航行时的安全与可靠性，符合船舶智能航行的发展目标。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，其特征在于，包括：
显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元；
所述显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元之间通过CAN1总线与CAN2总线进行信息交互；
所述显示设置单元，包括：主显示设置模块和副显示设置模块；
所述主显示设置模块，用于设置航迹/航向保持模式、航迹参数、操舵模式及主驾驶台的操纵参数，发送所述控制中心单元进行处理，并显示所述控制中心单元发送的舵角和舵机状态信息；
所述副显示设置模块，用于设置副驾驶台的操纵参数，并发送所述控制中心单元进行处理，显示所述控制中心单元处理后获得的操纵数据，及从综合导航***获得的航海参数；
所述控制中心单元，用于根据所述航迹/航向保持模式、航迹参数、操舵模式及主驾驶台和副驾驶台的操纵参数，并结合从综合导航***获取的船舶当前航行数据，通过计算形成操舵指令发送所述舵机指令交互单元，并将所述舵机指令交互单元返回的舵角和舵机状态信息发送所述主显示设置模块显示；用于控制CAN1总线和CAN2总线的通信信道选取；
所述舵机指令交互单元，用于根据所述操舵指令向舵机***发送指令舵角，接收舵机***的舵角与舵机状态信息，并发送所述控制中心单元；
所述航迹参数，包括：航迹向、规划航迹、航路点；
所述操舵模式，包括：待机、非随动、随动、自动模式；
所述主驾驶台和副驾驶台的操纵参数，包括：舵角、航向、航速；
所述航海参数，包括：气象信息、水深信息、船舶当前航行参数及导航参数；
所述气象信息，包括：真风速风向、相对风速风向、海流大小方向；
所述水深信息，包括：实际水深、警戒水深；
所述船舶当前航行参数，包括：船舶当前的舵角、横摇角、纵摇角、鳍角、实际航向、指令航向、偏航距、回转速率、主机转速，以及操舵模式；
所述导航参数，包括：罗经航向、位置坐标、对地航向、对地航速及计程仪航速；
所述舵机状态信息，包括：舵机当前的舵角、油温、液压信息。
2.根据权利要求1所述的一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，其特征在于，还包括：监控报警单元；
所述监控报警单元，用于监测所述显示设置单元、控制中心单元及舵机指令交互单元的运行状态，并根据所述运行状态将运行状态信息、告警信息、故障信息发送至所述显示设置单元进行显示。
3.根据权利要求2所述的一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，其特征在于，所述显示设置单元、控制中心单元、监控报警单元及舵机指令交互单元之间通过CAN1总线与CAN2总线进行连接通信；
默认使用CAN1总线进行通信，所述控制中心单元每隔1S向CAN1总线发送应答信号，若CAN1总线收到应答信号，则说明CAN1通讯正常，继续选择CAN1总线作为通信信道；若没有收到应答信号，延迟0.5S***将问询CAN1状态，若CAN1总线没有应答，则进行故障标记，发送报警指令至所述监控报警单元，并启用CAN2总线作为通信信道；
在使用CAN2总线作为通信信道时，所述控制中心单元定时向CAN1总线发送应答信号，若CAN1总线应答，则取消CAN1总线的故障标记，并控制所述监控报警单元停止报警。
4.根据权利要求3所述的一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，其特征在于，所述控制中心单元，还用于控制所述主显示设置模块与副显示设置模块之间权限转换；
当选择所述主显示设置模块有效时，副驾驶台处于待机状态，所述副显示设置模块状态显示为被动状态；当选择所述副显示设置模块有效时，所述主驾驶台处于待机状态，所述主显示设置模块显示为被动状态。
5.根据权利要求4所述的一种采用冗余通信的分布式自适应船舶航迹保持***，其特征在于，所述主显示设置模块，还用于进行***设置、安装设置、网络设置、工作情景设置及报警设置。
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