彭　宾，郭佩佩，黄家怿，2※，陈万云，陆开路（.广州市健坤网络科技发展有限公司，广州　50630；2.广东省现代农业装备研究所，广州　50630）

无舵船舶航向自动控制系统研究

彭宾1，郭佩佩1，黄家怿1，2※，陈万云1，陆开路1
（1.广州市健坤网络科技发展有限公司，广州510630；2.广东省现代农业装备研究所，广州510630）

针对现有航向控制系统结构复杂、技术要求高、造价昂贵，难以推广应用的缺点，本文提出了一种无舵船舶航向自动控制系统，包括GPS罗经、船舶控制装置、螺旋桨推进装置和转速传感器，通过精确控制左右对称安装的推进螺旋桨的转速平方差来控制船舶航向。与传统的操舵系统相比，该系统受船舶航行速度的影响小，回转半径小，转向响应时间短。与回转式航向控制系统相比，该系统结构和操作简单，对外界因素影响的校正较简单，容易实现高精度控制。

无舵船舶，航向控制，螺旋桨，转速平方差，精准控制

0　引言

船舶一般采用舵机调节航向，借助螺旋桨式或喷射式推进系统控制航速，是船舶控制的核心组成部分，两者的性能直接影响船舶航行的操作性、精确性、安全性和经济性，也是航迹跟踪、动力定位和自动避碰等问题的基础［1］。螺旋桨式推进系统与喷射式相比，具有功率大、造价低廉等特点，长期以来使用广泛。当船舶具有一定行驶速度时，舵机及其操舵系统通过改变舵叶摆动状况达到控制航向的效果。采用舵机转向时，船舶转向半径大，航向调整时间较长，船舶阻力增加。

为了提高船舶控制性能，有研究人员提出了吊舱式全回转螺旋桨推进系统和回转双桨电力推进系统［2-4］。此类系统利用通过控制螺旋桨的旋转速度产生推力，并利用不同回转螺旋桨的回转角度差产生舵效，从而达到替代舵机及其操舵系统的目的。该航向控制方法可降低船舶航行速度对舵效控制的影响，回转半径小，转向调整时间较短，但系统结构复杂、技术要求高、造价昂贵，难以推广应用。因此，发展一种技术上容易实现、操作简单、可靠性高、价格低廉的无舵船舶控制系统，仍然是各国工程技术人员不断研究和探索的方向之一。

1　无舵船舶航向控制原理

船舶螺旋桨推进力公式：F=kr2，其中k和r分别为推力系数和螺旋桨转速。当左右螺旋桨选为相同产品时，其推力系数相同，则左右螺旋桨产生的推力 F1和 F2与转速之间的关系满足：F1=kr12和F2=kr22，其中左螺旋桨转速为r1，右螺旋桨转速为r2。当左右螺旋桨的转速不一致时，会产生转船力矩N，满足计算公式（1），可见转船力矩N与左右螺旋桨转速平方差A（A=r12-r22）成正比。

其中，d为螺旋桨距船舶艏艉线的距离。

转船力矩N也可用公式（2）计算：

其中，θ为航向角度，t为航向角度变化时间，J为船舶转动惯量，c为阻尼系数，Nf为阻力力矩。结合公式（1）可得：

在航区特征变化不明显的情况下，Nf基本不变，即可认为θ（t）随时间t的变化与A相关。因此选择航向偏差值 Δθ=θ1-θ（t） 作为比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，简称 PID）运算的输入量（其中θ1为为无舵船舶的目标航向角度，θ（t）为无舵船舶的当前航向角度），A为PID运算的输出量。

为了减小船舶转向对航速的影响，利用PID控制原理，根据当前实测航速和目标航速，实时调整船舶船速，从而消除航向控制对航速控制的影响。

设左右螺旋桨初始转速为r转速差为Δr，当船舶航向偏差值 Δθ≤θmax时 （θmax为给定的某个大偏差角度，例如30°），认为船舶航向偏差不大。为了确保船舶实际航速与预设置航速一致，以航速PID运算所得指令转速r为中间值，等量加减Δr/2得到左右转速值，即令：

将运算得到的螺旋桨目标控制转速r1和r2输入转速控制装置，对船舶产生实际舵效，使船舶航向发生改变。

当船舶航向偏差值Δθ≥θmax时，认为船舶航向偏差较大。为了缩短航向调整时间和减小转向半径，令低速螺旋桨转速为0，高速螺旋桨转速为使船舶航向发生快速改变。

2　系统设计

根据上述原理，本文提出了一种无舵船舶航向自动控制系统，其结构示意图如图1所示。图2为系统的整体流程图。该系统主要由船舶控制装置、螺旋桨推进装置、转速传感器和GPS罗经组成。船舶控制装置用于接收GPS罗经和转速传感器测量结果、嵌入式PID运算以及向发动机控制器输入控制指令，其人机操作界面用于输入目标参数和输出监控结果。螺旋桨推进装置由左右2套对称安装在船艉的螺旋桨、发动机和发动机控制器组成，发动机与螺旋桨相连，船舶控制装置通过发动机控制器控制发动机进而控制螺旋桨转速。转速传感器用于测量螺旋桨实际转速。GPS电子罗经用于测量当前航向和当前航速。GPS罗经测量的当前航速和当前航向角度分别与输入人机操作界面的目标航速和目标航向角度进行运算，然后分别得到左右螺旋桨的目标控制转速，船舶控制装置对转速传感器测量的左右螺旋桨的实际转速分别与其对应的目标控制转速进行运算，发动机控制器依据其运算结果来控制对应的发动机，并通过控制左右螺旋桨的转速平方差来控制无舵船舶的航向。此外，船舶航速通过航速PID控制器控制，可以不受航向控制的影响。其中PID控制可以是传统的PID控制，如果控制效果不好，可根据需要采用参数可调的PID控制或者模糊PID控制等其他改进的PID算法。

3　系统实现

系统通过精确控制船舶底部两翼螺旋桨的转速平方差控制船舶航向，其主控制系统流程图如图3所示。首先在船舶控制装置的人机操作界面输入目标航速值v和目标航向角度θ1。利用GPS罗经测得当前航速值v（t）和当前航向角度θ（t），测量结果输入船舶控制装置。

输入目标航速v和当前航速v（t）至PID运算部1，输出两个推进螺旋桨的初始转速r，用于计算目标控制转速。

图1　船舶结构示意图

图2　系统总体示意图

图3　嵌入式主控制系统流程图

输入目标航向角度θ1和当前实测航向角度θ（t）至PID运算部2，输出两个推进螺旋桨转速平方差A，结合计算所得初始转速r得到目标控制转速 r1和r2。

由转速分配运算部决定高、低转速分配结果，分配流程图如图4所示，具体实施方案如下：

1）当航向偏差较小时，即 Δθ≤θmax时，低速螺旋桨转速为L=r-|Δr|/2，高速螺旋桨转速为H= r+|Δr|/2，然后对高、低转速进行校正：

①如果 L＞0且H＜rmax，rmax表示最大转速，一般由船舶性能决定，则L=r-|Δr|/2，H=r+|Δr|/2；

②如果L＞0且H＞rmax，说明高速螺旋桨转速已达到最大转速，则令H=rmax，那么L=rmax-|Δr|；

③如果L＜0且H＜rmax，则令L=0，那么 H= |Δr|；

④如果L＜0且H＞rmax，则令L=0且H=rmax。

2）当航向偏差较大时，即Δθ＞θmax时，令L=0，，然后对计算所得H进行校正：

①如果H＜rmax，则

②如果H＞rmax，则令H=rmax。

3）判别Δr正负。

①如果Δr＞0，说明左螺旋桨转速较高，右螺旋桨转速较低，则r1=H，r2=L；

②如果Δr＜0，说明左螺旋桨转速较低，右螺旋桨转速较高，则r1=L，r2=H。

将目标转速r1和r2分别输入PID运算部3和4，结合转速传感器测量的实际转速r1′和r2′，分别计算左右螺旋桨目标转速和实际转速的偏差，经过PID运算输出发动机控制指令，不断调整螺旋桨转速。

4　结论

本文研究的无舵船舶航向自动控制系统，通过船舶底部两翼螺旋桨的转速差控制航向，容易实现高精确控制，且省去舵机，转向时间短，航向阻力小，结构及操作简单，成本低，提高了航向控制系统的经济性和可靠性，具有很好的现实意义。

图4　转速分配流程图

［1］陈高阳.基于模糊滑模变结构控制的船舶航向控制的研究［D］.镇江：江苏科技大学，2010.

［2］上海海事大学.一种船舶推进系统以及航行控制方法：200810034634.3［P］.2009-01-14.

［3］褚德英，张葆华，王莹，等.全回转吊舱推进器水动力性能试验研究［J］.船舶工程，2013，35（S2）：58-61.

［4］Islam M.F.，MacNeill A.，Veitch B.，et al.Effects of Geometry Variations on the Performance of Podded Propulsors［C］//SNAME Maritime Technology Conference&Expo and Ship Production Symposium，Florida，USA，2007.

Research on Course Control System of a Rudderless Ship

Peng Bin1，Guo Peipei1，Huang Jiayi1，2，Chen Wanyun1，Lu Kailu1
（1.Guangzhou Jiankun Network Technology Development Co.，Ltd，Guangzhou 510630，China；2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment，Guangzhou 510630，China）

Considering the problems of the current course control systems are complex，expensive，and difficult to promote，this paper gives a course control system of a rudderless ship，including GPS compass，control device，propeller propulsion plant and speed sensors.It realizes ship course control by precisely controlling squared difference of the rotational speeds between the left and right propeller propulsions.Compared with the conventional steering control system，it has several advantages:small turning radius，short response time.What’s more，it is simple in structure and operation，and easy to achieve high-precision control in contrast with the rotary course control system.

rudderless ship，course control，propeller，squared difference of rotational speeds，precise control

广州市珠江科技新星专项（2014J2200091）；广东省海洋渔业科技与产业发展专项（A201401B07）；广东省科技计划项目（2014A010103019）。

彭宾（1984—），男，广东韶关人，本科，主要从事农业信息化与智能装备技术领域的研究。Email: 290692181@qq.com。
※

黄家怿（1980—），女，湖北武汉人，博士，高级工程师，主要从事农业信息化及智能装备领域的研究。Email：huangjy@e-jiankun.com。