1 引言
當(dāng)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(jù)航跡偏差信息自動完成操縱舵機(jī)的裝置,是在隨動操舵基礎(chǔ)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(shè)定航向或預(yù)定航跡上航行,實(shí)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(qiáng)度,而且在遠(yuǎn)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(jīng)濟(jì)效益[2,3]。

2 視線掃描導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 航跡控制方案設(shè)計(jì)
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(jù)航跡偏差直接改變舵角,從而使船舶的實(shí)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(jì)算期望的航向信息,再利用期望的航向與實(shí)際船舶航向的偏差改變舵角,從而實(shí)現(xiàn)航跡控制。

本文采用間接航跡控制方式,如圖1所示,內(nèi)環(huán)為船的舵角控制,用于操縱舵機(jī)使實(shí)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(dāng)前船舶航向與航向規(guī)劃器產(chǎn)生的期望航向相比較,航向誤差送入航向PID控制器,從而產(chǎn)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(jì)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(fēng)、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(shí)際位置信息對航跡偏差進(jìn)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?cè)藛T會在一定的視線區(qū)域?qū)崟r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(shè)定視線掃描區(qū)域,當(dāng)航跡偏差在一定范圍時,視線掃描區(qū)域與預(yù)定航跡相交于航跡瞄準(zhǔn)點(diǎn)P。當(dāng)前船位與航跡瞄準(zhǔn)點(diǎn)P形成的航跡瞄準(zhǔn)方向即為經(jīng)視線導(dǎo)航策略導(dǎo)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(shè)定的航跡信息可計(jì)算出當(dāng)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(jì)劃航跡向角度可通過計(jì)劃航跡點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)的緯度坐標(biāo)代入到式(3)計(jì)算出數(shù)值,再利用(2)式可解算出計(jì)劃航跡向角度由于航跡瞄準(zhǔn)點(diǎn)P在計(jì)劃航向AB上,所以用AP點(diǎn)、PB點(diǎn)計(jì)算出的航向角度與計(jì)劃航向相同。
利用式(1)、(2)即可計(jì)算出航跡瞄準(zhǔn)點(diǎn)P位置坐標(biāo)。由此可利用式(1)得到當(dāng)前船位點(diǎn)與瞄準(zhǔn)點(diǎn)形成的規(guī)劃航向角度值。
經(jīng)視線導(dǎo)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(yù)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(yù)定航線縮短航跡偏差的同時,使得船舶航向角度趨近于預(yù)定航線的航向角。