船舶自动舵的发展
航向控制系统
自动舵的 机电接口
ACB：浮动杆追随机构[Float Hunting Gear]
三 点浮杆追随机构原理
作用：加快转舵速度
操纵杆
A
A1 A2
变量控制杆
C
C1
反馈杆
B2
B1 B
太软：无法转舵 储能弹簧 太硬：不起作用
3、阀控型液压舵机
使用单向定量油泵，转舵靠驾驶台遥控换向 阀实现，油泵排油回泵的进口或回油箱。 特点：系统简单，造价低；冲击大，可靠性 差，油液发热量大，经济性差。
但十字头、导板等结 构复杂，使重量、尺 寸加大，加工、安装 和检修比较麻烦
舵机的转舵机构-拨叉式
N
Pα
Q
α
R0 D
R
拨叉式和十字头式都属于滑式转舵机构，扭矩特性相同。拨叉式结构比十字 头式简单，尺寸也较小，公称转舵扭矩和最大工作油压相同时，重量相应减
轻。目前除特大扭矩舵机外，基本取代了十字头式。 。
hanID PWM
NFU M
舵机
定量液
船
压泵
舵叶
航向控制系统组成（2）
hand
操舵仪
GYRO NFU
PID I f
M
示意图！ 2
液压泵
舵机 船
舵叶
航向控制系统的组成1 ： 操舵仪
操舵分罗经 调节旋钮 舵角指示 舵令指示 应急操舵手柄 随动操舵手轮
操舵仪：操舵方式（控制系统）
二、 航向控制系统发展与现状
• 历史上自动操舵仪经历了机械自动舵、PID自动 舵、自适应自动舵三代。近代船舶通常装有自适应 舵，在航船舶中也有不少装有PID自动舵。
• 目前使用较多的自动操舵仪有：日本东京计器 TOKIMEC公司的PR-8000系列自动操舵仪、日本北辰 YOKOGAWA的PT21系列自动操舵仪、德国ANSCHUTZ的 NAUTOPILOT A系列自动操舵仪、美国Sperry Marine NAVIPILOT 4000系列自动操舵仪。
2024年船舶智能化市场前景分析
2024年船舶智能化市场前景分析1. 引言船舶智能化技术是指通过引入先进的信息技术和自动化设备，提高船舶的运营效率、安全性和环境友好性。
近年来，随着全球贸易的不断增长和航运业务量的增加，船舶智能化市场迅速发展。
本文将对船舶智能化市场的前景进行分析。
2. 市场概述船舶智能化市场涵盖了船舶自动化控制系统、智能船舶设计与建造、无人船舶技术等领域。
目前，全球范围内船舶智能化市场规模不断扩大，市场需求日益增长。
船舶智能化技术的应用逐渐普及，船舶运营商和造船企业对智能化设备的需求也在不断提升。
3. 市场驱动因素船舶智能化市场的增长受到多方面因素推动。
首先，全球船舶运输需求不断增加，需要更高效、安全的船舶运营模式。
其次，环保意识的提高促使船舶运营商采用更环境友好的技术，例如智能船舶设计和燃油管理系统。
此外，政府对船舶智能化技术的支持也是市场增长的重要因素。
4. 市场前景船舶智能化市场前景广阔，具有以下几个方面的发展机遇：4.1 增强航运安全船舶智能化技术可以提高航运的安全性，如自动导航系统、智能监控系统等。
通过实时监测和数据分析，船舶运营商可以及时发现和解决安全隐患，避免事故的发生。
4.2 提高船舶运营效率船舶智能化技术可以优化船舶运营流程，提高货物装卸效率和航线规划的准确性。
智能化设备可以自动完成一些重复性操作，减轻人力负担，提高工作效率。
4.3 降低船舶运营成本船舶智能化技术可以帮助船舶运营商降低燃油消耗、提高航速和货物装载率，从而降低运营成本。
智能化设备可以实时监控船舶性能，提供优化建议，帮助运营商进行成本控制。
4.4 推动船舶智能化设计与建造发展船舶智能化技术的应用将促进船舶设计与建造行业的发展。
智能船舶设计可以提供更加节能、环保的船舶方案，满足航运业对高效、环保船舶的需求。
4.5 创造新的投资机会随着船舶智能化市场的发展，将出现许多新的投资机会。
智能化设备生产商、船舶运营商和船舶设计企业等都可以在市场中寻找到投资和合作的机会。
2-2-6自适应舵与航迹舵.ppt
六、自适应舵与航迹舵
2）在进行避让操船时，应终止使用航迹舵。 当定位传感器长期无船位时，航迹舵应批示提醒 驾驶员转到其他的操舵方式；
3）在利用航迹舵自动转向时，驾驶员必须对 周围的海域、船位与所采用的航迹带宽度、对转 向前后的海面状况均了解清楚。航迹带宽度应根 据航行区域与海况确定。当在自动校正风流压影 响及航向修正量过大（例如大于10度）时，应同 时发出报警指示。
六、自适应舵与航迹舵
5）最佳控制器：将卡尔曼滤波器检出的 偏航角加到最佳控制器，经处理后，产生使船舶 回到原航向的舵角指令。因此，偏航角、偏航角 速度和上述性能指标可以在有些自适应舵上自动 确定，而不需要像一般自动舵那样凭经验进行 人工手动设定；
6）增益调节器：当海况恶劣、波浪等噪声 增大时，噪声对船舶转向的影响也随之增大，会 导致卡尔曼滤波检测的精度下降。为了减少这种 影响并改善操作性能，设置增益调节器来调整 增益参数。通过软件可自动选择节能方式和保向 方式。当海况恶劣到一定程度、操纵性能变差 时，可自动转到保向方式上运行。
六、自适应舵与航迹舵
然后给出一个指标航向到自动舵组件中去 执行，使船能够沿着计划航行，并能在预定的 转向点转向，从而达到无人驾驶。
2. 基本工作原理： 1）计划航向的确定：恒向线航法和大圆航 法（在某一段时间内是不变的计划航向）； 2）实时定位的获取：一般由船舶定位仪获得。 GPS定位仪连续性好，精度高；
六、自适应舵与航迹舵
3）航迹带宽度的设置：采用实时船位连续不 断地去修正或改变航向并保持在计划航向上是极 其困难的，所以实际操作中需根据海况等因素， 设定一个允许的计划航线附近一定距离范围内的 位置偏移量与这个偏移量的极限值。
海上船舶自动化控制技术说明
海上船舶自动化控制技术说明海上船舶自动化控制技术是指通过使用先进的电子和计算机控制系统，实现船舶上一系列自动操作和监测功能的技术。
这些技术的应用使得船舶能够更有效地进行航行、操作和维护，提高运营效率和安全性。
在海上船舶自动化控制技术中，有几个主要方面值得注意：1. 船舶导航自动化：船舶导航系统基于全球定位系统（GPS）和惯性导航系统，能够自动计算和显示船舶的位置、航向和速度。
此外，还可以与雷达、电子海图和自动舵等系统进行集成，实现船舶在航行过程中的自动导航。
2. 船舶动力系统自动化：船舶动力系统自动化包括发动机控制、传动系统和推进系统的自动化。
通过自动监测和控制发动机运行状态、油耗和排放量等参数，船舶能够实现更高效的能源利用和环境保护。
3. 船舶操纵自动化：船舶操纵系统能够自动控制舵机和螺旋桨，根据导航系统提供的信息实现船舶的精确操纵。
这些系统通常与自动驾驶和船舶定位系统相结合，可以实现船舶的精确停泊、自动对接和海上航行等操作。
4. 船舶监测和报警系统：船舶监测和报警系统能够实时监测船舶各个系统的性能和状态。
一旦系统发生异常或故障，系统会自动发出警报并提供相应的解决方案。
这种实时监测和报警系统有助于预防事故和减少维修时间。
海上船舶自动化控制技术的应用带来了许多好处。
首先，它减轻了船员的工作负担，提高了工作效率。
其次，它提高了船舶的安全性，降低了事故的风险。
此外，它还提高了船舶的经济性，减少了能源消耗和运营成本。
举例来说，船舶自动化控制技术可以实现船舶的智能停泊和自动对接，大大简化了港口操作流程，提高了港口的吞吐能力和效率。
此外，在恶劣的海况下，自动化操纵系统能够更精确地控制船舶的姿态和运行状态，减少了风险和海况对航行的影响。
总而言之，海上船舶自动化控制技术的应用使得船舶能够更安全、高效地进行航行和操作。
随着技术的不断进步和应用的扩大，船舶自动化控制技术将会在海上运输领域发挥更重要的作用。
船舶电动化趋势解析船舶电动化技术的发展和前景
船舶电动化趋势解析船舶电动化技术的发展和前景随着社会经济的不断发展，船舶行业也在不断进步和变革。
船舶电动化技术作为一种新型的动力系统，已经成为了航运行业的热门话题。
本文将对船舶电动化技术的发展和前景进行分析和解析。
一、船舶电动化技术的概述船舶电动化技术是指通过电能来驱动船舶的一种技术。
它主要利用电池、电动机和电子控制系统等设备来实现船舶的动力驱动。
相比传统的燃油动力系统，船舶电动化技术具有更高的能源利用效率、更低的排放和更低的噪音等优势。
因此，船舶电动化技术被广泛认为是未来船舶行业的发展方向。
二、船舶电动化技术的发展历程船舶电动化技术的发展可以追溯到20世纪初期。
最早采用电动驱动的是小型船舶，如潜水艇和电动船等。
随着科技的不断进步，船舶电动化技术逐渐应用于大型商用船舶上。
近年来，随着可再生能源技术的快速发展和电池技术的突破，船舶电动化技术进一步得到推广应用。
三、船舶电动化技术的优势1. 能源利用效率高：船舶电动化技术可以充分利用电能，提高船舶的能源利用效率，从而减少能源浪费。
2. 环保低碳：相比传统的燃油动力系统，船舶电动化技术减少了燃油的使用，从而减少了排放物的产生，对环境更加友好。
3. 噪音低：电动船舶相较于传统燃油船舶噪音更低，减少了对海洋生态系统的干扰。
4. 维护成本低：船舶电动化技术相对于传统燃油动力系统来说，维护成本更低，无需频繁更换机油和滤芯等零部件。
四、船舶电动化技术的应用前景船舶电动化技术的应用前景非常广阔。
首先，电动化船舶在海上货运领域具有巨大的潜力。
由于船舶电动化技术能够提高船舶的能源利用效率，从而降低货运成本。
其次，电动船舶在旅游观光领域也有着广泛的应用前景。
相比传统燃油船只，电动船舶更加环保、安静，能为游客提供更好的旅游体验。
此外，船舶电动化技术还可以应用于海洋科考、渔业养殖和海洋资源勘探等领域。
综上所述，船舶电动化技术作为一种新兴的动力系统在船舶行业发展中具有重要意义。
船舶操纵
4.4 船舶操纵控制船舶操纵是指船舶驾驶员根据船舶操纵性能和风、浪、流等客观条件，按照有关法规要求，正确运用操纵设备，使船舶按照驾驶员的意图保持或改变船舶水平运动状态的操作。
下面介绍现代船舶航向控制和船舶主机遥控操纵。
4.4.1 船舶操纵基本原理船舶操纵是一个大系统，由人、船舶和操船环境三个小系统构成，如图4–24所示。
该系统中，船舶驾引人员是主要组成部分，他们通过掌握和处理大量信息，将操船指令输人船舶，使船舶保持或改变运动状态而达到预期的目的。
图4–25为船舶驾引人员操纵船舶流程。
图中信息A 为本船运动状态，信息B为自然环境，信息C 为航行环境，信息D 为操船手册。
操纵船舶运动的机构，主要有舵和推进动力装置。
舵是船舶操纵的重要设备，操舵者通过操舵可以使船舶保持或改变其航向，达到控制船舶方向的目的。
推进器是指把主机发出的功率转换为推船运动的专用装置或系统，目前应用最广泛的推进器是螺旋桨。
螺旋桨分为等螺距螺旋桨、变螺距螺旋桨、固定螺距螺旋桨（FPP ）和可调螺距螺旋桨（CPP ）等不同类型。
20世纪50年代以来，船舶自动化经历了单元自动化、机舱集中监测与控制以及主机驾驶室遥控等几个阶段。
随后，由于计算机技术和自动化技术在实船上的应用，以及空间技术和通信技术的发展，使得船舶自动化由机舱自动化朝综合自动化和智能化方向发展。
目标设定预测模型操船信息模型设定正确得到必要信息决定优先顺序指令N N Y Y Y N 螺旋桨转速舵 角锚的使用缆的使用拖船的使用A B C D图4–25 船舶操纵流程图4.4.2 船舶航向控制船舶航向控制的主要任务有二：一是保持航向；二是航向跟踪。
航向操纵部分——自动操舵系统自1922年自动操舵仪（也称自动舵）问世到今天，已经历了机械式自动舵、PID 自动舵和自适应自动舵三个发展阶段，目前正处于第四个研究发展阶段——智能自动舵。
1. 自动操舵系统人 船操纵环境 图4–24 船舶操纵系统 图4–25 船舶操纵流程图 A B C D N NN Y Y Y 目标设定 预 测 模 型 操船信息 模型设定正确 得到必要信息决定优先系列 预 测 模 型1) 常规PID 自动舵在航海自动化系统中，船舶是系统的调节对象，若略去动力装置的影响，船舶运动状态的调节，将由舵来实现，并从船首方向表现出来。
第5章 舵设备(船舶结构与设备课件)
1.舵叶（rudder stock）
舵杆是舵叶转动的轴，并用以承受和传递作用在舵叶上 的力及舵给予转舵装置的力。其下部与舵叶连接，上部与转 舵装置相连。 为了使舵在受损时不必拆开船体内的部分就能修理，把 舵杆分作上舵杆和下舵杆两段制造，然后用法兰接头连接。 上舵杆的顶端称舵头。舵头通过舵杆套筒伸至舵机室与 转舵装置相连接。上舵杆下端是法兰接头，与舵叶连接。 为了使万一法兰螺母脱落而螺栓不至滑落，安装时，螺 母应朝下，并用水泥包搪。
齿轮襟翼式舵
1-舵叶（rudder blade）； 2-位于舵杆筒内的舵杆（Rudder stock in rudder trunk）； 3-襟翼（flap）； 4-铰轴（hinge line）；
5-舵机（steering engine）；
6-舵机座（steering engine foundation）； 7-密封套与轴承（gland and bearing）； 8-舵顶（rudder dome）； 9-舵承（rudder carrier） 10-转动襟翼的传动装置（flap actuator）
6）倒车舵
（1）正车整流，加强正车舵效； （2）倒车舵效；
（3）侧移功能。
7）全向推进器
又称Z轴螺旋桨。能绕竖轴作360度旋转，用以推进和操 纵船舶的螺旋桨或导管推进器。主机输出功率通过一级伞齿 轮转动竖轴，再通过二级伞齿轮传递给推进器，形成一个Z字 形传动系统。另设有油压泵驱动蜗轮蜗杆，以驱使整个推器 装置作360°水平回转。Z形轴系与导流管螺旋桨全部安装在 一个圆筒体上，整个装置可吊出或安装在甲板开口处。转向 螺旋桨的单位马力推力大，操纵性能良好，装双全向推进器 的拖轮具有就地回转、平移、倒退等能力。后退推力与前进 推力基本相同，可以驾机合一遥控作业。导管前安装网罩可 保护螺旋桨。这种舵适用于港作拖轮等小型船舶。
船舶自动化技术探索船舶自动化技术的应用和优势
船舶自动化技术探索船舶自动化技术的应用和优势自动化技术在各行各业发挥着越来越重要的作用，航海业也不例外。
船舶自动化技术的应用越来越普遍，对船舶操作和维护工作产生了巨大的影响。
本文将探讨船舶自动化技术的应用和优势，以期为航海业带来更多的便利和效益。
一、船舶自动化技术的应用1. 船舶操控自动化随着现代船舶技术的发展，船舶操控自动化已经成为一种趋势。
自动化操控系统可以实现船舶的自动导航、自动驾驶等功能，减轻船员的工作负担，提高航行安全性。
2. 船舶货物装卸自动化传统的船舶货物装卸通常需要大量的人力和时间，效率较低。
而船舶自动化技术可以实现货物装卸的自动化操作，通过机械装置和控制系统，实现货物的自动进出船舱，提高作业效率，降低人力成本。
3. 船舶发动机控制自动化船舶的发动机是航行的核心，传统的发动机控制需要船员实时监控和调整。
而船舶自动化技术可以实现发动机的自动控制，通过精确的传感器和控制系统，自动调整发动机的工作状态，提高燃油利用率，降低能源消耗。
4. 船舶维修和保养自动化船舶的维修和保养是一项繁琐而重要的工作，传统方法需要大量的人力和时间。
船舶自动化技术可以实现船舶维修和保养的自动化操作，通过无人机、机器人等设备，自动巡检和维护船体设备，减少人力投入，提高效率。
二、船舶自动化技术的优势1. 提高航行安全性船舶自动化技术可以有效降低人为因素对航行安全的影响。
通过自动化操控系统和精准的传感器，船舶可以实时监测和控制航行状态，减少事故的发生几率，提高航行安全性。
2. 提高作业效率船舶自动化技术可以实现作业的自动化和智能化，提高作业效率。
无论是货物装卸、发动机控制还是维修保养，自动化系统可以更加准确、高效地完成工作，节约大量的时间和人力资源。
3. 降低运营成本船舶自动化技术能够降低航运公司的运营成本。
通过自动化操作，减少了人力投入，降低了人力成本。
同时，自动化系统可以更好地控制船舶的燃油消耗，减少能源的浪费，从而达到降低运营成本的目的。
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1 船舶自动舵的发展 0942813220 刘磊 摘要：综述了航海自动舵的技术史和今后发展趋向以及就船舶操纵自动舵的工作原理和方法方面进行了综述。 关键词: 自动舵技术发展过程 自动舵发展趋向 自动舵的原理 自动舵的工作方法 船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按 计划的航线到达预定的目的港。由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性 能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行,是操纵船舶的关键设备。系统的调节对象是船，被调节量是航向。 自动舵是一个闭环系统，它包括：航向给定环节； 航向检测环节； 给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机 构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。当大的距离。 本文在展望人工智能控制舵之前先对目前的自动舵进行简要的回顾，再对船舶操纵自动舵的构成和工作原理方面进行了综述。 一．自动舵的技术发展历史 1.传统的自动舵 1922年Minorsky和Sperry分别从数学角度和陀螺罗经在船舶上的运用角度各自发表了论文, 这两篇论文可以看作是对船舶自动舵作出了最早的贡献。1923年,Minorsky设计的自动舵就装在新墨西哥的战舰上投人了试验。 早期自动舵以机械结构为基础,仅能对航向进行初步控制, 今天我们将这种控制方法称为“比例（P）控制”。这是由于自动舵舵角的偏转大小是和船舶偏航角成比例的。下面的公式可表示比例控制的规律： 2
在实际工作中, 用陀螺罗经测出即时航向信号并与设定的航向进行比较, 然后将二者的差值输人到控制器中去, 由控制器输出并驱动舵轮伺服机构。但“比例控制” 法用于惯性很大的船舶效果不理想, 原因是这种控制方法会使船舶在设定的航向两边来回摆动, 结果使转舵装置过度磨损, 而且燃料消耗要高出许多, 这些问题限制了它的使用。 直到1949年Schiff等人提出了速率控制的概念, 即速率控制与偏航角的微分成正比, 目前将其称为“ 比例和微分（PD）控制”其公式如下：
引入微分控制概念以后提高了自动操舵时航向的准确性, 偏舵角不仅与偏航角有关, 还与偏航速率有关。 1972年Bech等人提出了一个三项控制理论, 即在PD控制系统中加上一个低频滤波器,以便使航向稳定性保持在适当范围内的情况下 减少舵机高频运动。这一控制可以表达为：
这种形式的控制器被称作比例-微分-积分控制系统, 或简称为PID控制器。增加的积分环节依靠偏航角的积累值, 自动地使舵叶从首尾线偏转一个角度, 产生一个恒定的转船力矩, 用以抵消外界风流等持续力矩的作用。（这一理论其实在1949年Schiff的论文中就提出过, 但被搁置了多年。）1980年以前, 几乎所有海船上的自动舵都采用PID控制。 2.自适应自动舵 3
20 世纪50 年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的更加复杂的第二代自动舵问世了,这就是著名的PID 舵。而传统的PID自动舵至少在三个方面存在严重缺陷：一是需要手动调节Kp，K1，Kd参数,补偿船舶状态的改变和风流环境的改变, 这种调节无法实现其精确整，更难做到适时调节；二是PID自动舵由于对高频海浪干扰采取的高频转舵实际上是无效舵, 无效舵反而导致船舶阻力增加, 引起推进能耗增加,机械磨损增大。常规PID自动舵用加大死区的办法抑制海浪干扰虽有一定效果, 但增大死区也会导致低频特性恶化, 引起持续周期性偏航；三是在大风浪中常常由于产生大角度的转舵, 导致更严重的偏航, 这在大风浪中是相当危险的。因此, 几乎所有海上航行法规都要求在大风浪和特殊环境下禁止使用自动舵, 而必须改用手动舵。 在70年代后期和80年代早期, 自适应自动舵的研究和发展异常迅速。从80年代起, 微处理技术和复杂的自适应控制理论应用于自动舵大大提高了控制的准确性, 增加了航行速度,减少了操纵工作量, 最主要的是减少风、浪、流、吃水等因素对手工设定参数的补偿, 提高了各种气候条件下使用自动舵的可能。 最早的自适应自动舵控制法是1975年Oldenburg等人提出的对一般的PID自动舵用直接推断法进行修正。这一功能包括对波浪信号、船速、负载变化等选择最佳控制参数。其中波浪是通过一个海浪分析器进行测量的，其不规则性可输入计算程序并利用卡尔曼滤波器提取信息。 1977年,Kallslrom和Astrom在关于船舶控制的文章中研究了另外一种方法, 被称为自校正自适应控制。1981年Brink和Tiano提出使用Ricatti方程的一个计算稳定状态的解答方法,可以基本上设计出自校正自适应自动舵由于船在风浪中变速变载航行, 船舶的动力状态及其数学模型参数是不断变化的,因此必须通过在线识别技术来实时辨识变化着的数学模型参数, 以保证在风浪变化、负载变化时, 控制器能本身修正自己的参数, 使控制系统做到动舵次数少、偏航幅值最小。问题是模拟真实的波浪系统, 在数学方面确有困难。在解Ricatti方程的繁重计算工 4
作中也会提出很多附加问题。 1982年由Van Amerongen提出了模型参考自适应控制理论, 根据线性叠加原理, 一艘船舶对不规则的海面状态的响应可以从不规则海面的规则波浪的分量响应的总和推导出来。对模型参考法的主要批评意见是真实船舶相当于一个高度非线性系统, 在风大浪高,负载急变时其适应程度很差。 1990年Fairbairn和Grimble将H∝设计法用到了自动舵上。H∝的优点是对在设备模型中的那种尚有某些参数具有不可测性的设备可进行一定程度的控制,然而要成功地应用H∝控制需要具有线性船舶模型方面有关转移函数的全面知识, 还必须有足够的液压动力学方面的数据。 总之, 自适应自动舵在一定范围内取得了十分有效的自动控制效果。然而,自适应方法要么以价值函数中的参数估算为基础, 要么是以船舶动力学环境干扰的模型试验为基础。没有人能为一艘船舶所经历过的那种千变万化的运行条件提供最佳的全面自动调节方法。 3.人工智能自动舵 自从80年代后期90年代初期开始，研究人员对“人工智能操舵系统”的研究倾注了极大的热情。目前开发智能控制的方法可以划分为以下三种： （1）专家级智能系统； （2）模拟逻辑控制器； （3）神经网络控制器。 专家系统的目标是借助计算机开发一种新的模型来解决问题。它与用参数识别的物理模型很不相同, 虽然有许多成功应用专家系统的实例, 但使用专家系统的自动舵实例非常少。使用专家系统自动舵最基本的要求是要能模拟舵工的作用。一个有用的专家系统也需要考虑船舶的特征和环境的干扰,形成算法。 近几年, 模糊设定理论在船舶上的应用得到了发展, Sutton和Jess于1991年介绍了一种自适应模糊自动舵理论。这个方法是观察操作环境以及观察在环境中模糊控制器所受的影响来达到查明性能指数的目的, 将能被接受的性能指数储存到一个矩阵格式中形成控制规则。 5
Layne于1993年又提出了模型参考自学习控制器（FMRLC），它是在环境受干扰(例如风)的情况下模拟船舶的驾驶, 此种学习机制的作用一是从模糊控制系统观察数据；二是学习当前性能特征；三是对模糊控制器进行自动合成和调节。FMRLC的设计没有依靠数学模型, 但在计算方法上是比较繁琐的。 自90年代起, 研究人员对人工神经网络的兴趣日益增长, 人工神经网络在船舶自动舵上的研究已有报道, 使用神经网络不仅用于航向保持, 而且借助其它航海定位仪器可以对航迹进行控制, 甚至在自动靠码头操作中也可利用神经网络控制器。 使用人工神经网络的一种最简单方法是利用神经网络的学习功能去模仿在不同工作条件下的PID自动舵。学习过程结束后, 神经网络控制器便可取代PID进行独立操作。很显然,如果遇到新的环境或条件, 神经网络自动舵需要再进入学习过程, 否则控制效果不稳定。1993年Simensen对上述方法进行了扩展。Witt和Miller在1993年也提出了类似的方法, 即用一个PID自动舵去训练一个神经网络自动舵, 这种方法虽然利用了神经网络的自学习功能, 但在整个过程中必须引人一个学习或训练阶段, 也就是说, 在实际控制之前必须有一个离线训练过程。 Zhang等人在1995年提出了一个在线学习和控制方法, 即利用一个神经网络对船舶边控制边学习, 这种方法称为在线直接控制。不久以后, Zhang等人将这种方法推广到了单输入多输出问题, 即航迹保持,以及多输人多输出问题,即自动靠码头控制。这种在线直接训练和控制方法有如下特点： （1）只要略知被控系统的一些定性特点, 而不需要任何辩识过程。 （2）训练数据不需太大, 只要能满足了解系统的短期动态特性即可。 （3）神经网络不是一经训练便一劳永逸, 而是连续进行自我训练, 因而适用于在变化条件下的非线性系统的控制。 上述神经网络自动舵与PID自动舵的比较,已经在不同的条件下进行了实验, 6
并取得了非常满意的效果。由此可见,目前自动舵的研究已进人了一个崭新的阶段,而人工智能型的自动舵很可能成为船舶操纵的必由之路可以预见,人工智能舵的研究将对船舶实现无人驾驶做出决定性的贡献。 4．自动舵发展趋向 4. 1 实现实时综合数据船桥系统功能。此系统是一种航行、控制、通讯和监控综合系统,采用先进的船舶运动理论、WINDOWS 软件和多种传感器硬件,整个系统由工业标准(以太网) 局域网LAN 把各子系统连在一起,将航行和控制系统与决策支持系统结合,包括海洋环境预报、卫星通讯、自动航行和航迹保持等功能。 4. 2 整个系统采用模块化结构,扩展灵活,可以根据用户要求,选配航向或航迹控制模块,还可选配气象站、气象航行计划和航行优化等模块。以满足 用户的不同需求。系统采用开放式结构,硬件和软件均可升级。 4. 3 系统全部菜单化人机界面,采用游戏杆或跟踪球等进行操作。 4. 4 采用双罗经、双计算机控制系统配置以提高可靠性和安全性 4. 5 自动舵有智能、自适应和PID 等多种控制模式,有自动、手动、非跟踪和遥控舵等多种工作模式。 4. 6 航迹舵包括航行计划、定位和航向保持等功能模块,有狭窄水域和宽阔水域两种航行模式。航行计划模块通过设置转向点编辑航线,有恒向线航行、大圆航行和混合大圆航行3 种方式;定位模块用GPS 实时确定船舶实际位置;航向保持模块自动决定最优船首向,在转向点处自动改变航向,保持船舶航行。与“航向舵”相比,航迹舵可以实现更精确,更经济的航迹控制。 4. 7 航迹舵有直接和间接两种控制模式。间接控制的航迹舵根据航迹偏差信号、速度信号和实际航向信号计算出最佳航向,作为航向舵的设置航向,通过操舵使船舶沿预定航线航行;直接控制的航迹舵根据船舶本身的数学模型,计算并控制所需的舵运动,使船舶自动沿着输入的航迹航行。 4. 8 雷达舵把雷达的显示功能和航迹舵的控制功能集中在一个控制台上进行航行计划、航迹控制和避碰操作,雷达管理系统采用高分辨率大屏幕彩色显示器,触摸式屏幕或跟踪球操作。 4. 9 速度舵通过与主机自动化系统的接口控制船 舶的速度,保证在输入的计划到达时间内到达,同时优化燃料消耗。