[发明专利]一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统及方法

权利要求书

1.一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，其特征在于：包括

舵轮，用于输出指令舵角至控制单元；

定位模块，用于获得实时船位信息并输出至控制单元；

舵角反馈单元，用于实时检测船体实际舵角和船体回转角速度并发送至控制单元；

控制单元，用于根据接收的船位信息和船体回转角速度确定最优航迹向状态量，用于根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号并输出至液压舵机；

液压舵机，用于根据接收的转舵指令信号驱动舵叶转动完成船舶操纵控制。

2.根据权利要求1所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，其特征在于：所述控制单元包括用于对接收的信息进行处理并输出转舵控制信号的控制模块和用于对转舵控制信号进行处理形成转舵指令信号的驱动模块，所述控制模块包括第一单片机模块、电平转换电路、第一CAN通讯模块，所述驱动模块包括前置信号放大模块和磁隔离固态继电器，所述第一单片机模块的第一信号输入端通过电平转换电路连接定位模块的输出端，第一单片机模块的第二信号输入端和第三信号输入端分别通过第一CAN通讯模块连接舵轮的输出端和舵角反馈单元的信号输出端，第一单片机模块的控制信号输出端连接前置信号放大模块的输入端，前置信号放大模块的输出端连接磁隔离固态继电器的输入端，磁隔离固态继电器的输出端连接液压舵机的信号输入端。

3.根据权利要求1所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，其特征在于：所述舵角反馈单元包括用于检测实际舵角信息的舵叶角度检测模块、用于检测船体回转角速度的角速度检测模块、运算放大模块、第二单片机模块和第二CAN通讯模块，所述舵叶角度检测模块和角速度检测模块的输出端分别通过运算放大模块电连接第二单片机模块的输入端，所述第二单片机模块输出端通过第二CAN通讯模块电连接控制单元的信号输入端。

4.根据权利要求1所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，其特征在于：还包括用于进行信息显示的显控单元，所述显控单元包括依次电连接的第三CAN通讯模块、处理芯片和显示屏，所述第三CAN通讯模块与控制单元信号输出端电连接。

5.根据权利要求1所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵系统，其特征在于：还包括用于输出操舵模式信号至控制单元的操舵模式模块，所述操舵模式模块包括依次电连接的光电耦合器和锁存器，所述光电耦合器的输入端用于电连接操舵模式选择开关，所述锁存器的输出端连接控制单元的信号输入端。

6.一种不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，其特征在于：采集船位信息、指令舵角、实际舵角、船体回转角速度及设定的迹向线和航线数据，根据船位信息和船体回转角速度获得最优航迹向状态量，根据最优航迹向状态量、船位信息、指令舵角、实际舵角及设定的迹向线和航线得到转舵指令信号驱动舵叶转动实现船舶的自动操纵控制。

7.根据权利要求6所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，其特征在于：通过卡尔曼滤波算法对船舶的航迹向进行观测优化确定最优航迹向状态量，所述船舶的航迹向与船位信息和船体回转角速度之间的关系如下：

其中，H_λ为船舶的航迹向，r为船体回转角速度，x和y分别为船体横向位移和纵向位移，通过船位信息确定，V_x和V_y分别为船舶航速V_e的横向和纵向分解量。

8.根据权利要求6所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，其特征在于：所述船体回转角速度通过设置于舵角反馈单元中的角速度检测模块获得。

9.根据权利要求6所述的不依赖艏向信号的船舶自动操纵方法，其特征在于：通过控制舵角的变化，使如下公式中的最优航迹向状态量H_λ、最优航迹向状态量变化率和横偏位移x趋近于零，实现船舶的自动操纵控制，

其中，δ为舵角，非线性项f(x)为关于橫偏位移x的函数，H_λ为最优航迹向状态量，为航迹向变化率，k_p、k_d为相关系数。