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1、10申请公布号CN102323820A43申请公布日20120118CN102323820ACN102323820A21申请号201110097927822申请日20110419G05D1/0220060171申请人江苏科技大学地址212003江苏省镇江市梦溪路2号72发明人崔健杨松林吴巍袁敬平赵南陈鹏74专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200代理人楼高潮54发明名称一种智能舵系统及其控制方法57摘要本发明公布了一种智能舵系统及其控制方法，所述系统包括可编程自动控制器、组合导航器、推进系统装置、操纵系统装置、应急操作装置。所述方法包括利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合。
2、导航器检测到的船舶实际位置与航向；可编程自动控制器进行字符转换和提取，然后进行位置核算、航向处理、偏航角计算；计算船舶的偏航距D和偏航角；判断船舶是否偏航；检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤1，实现实时的闭环控制。本发明采用了二级齿轮进行降速传动从而提高了其舵角操作精度。采用主机控制器和继电器及时对推进系统和操纵系统进行控制，因而可以大大降低船舶航行的风险，提高船舶航行智能操舵的稳定性。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页CN102323830A1/1页21一种智能舵系统，其特征在于包括可编程自动控制器、组合导航器、推进系统装置、操。
3、纵系统装置、应急操作装置，其中组合导航器由GPS导航仪和三维电子罗盘构成，推进系统装置由无刷直流电机依次串接无刷直流电机控制器、第一传动装置和螺旋桨组构成，操纵系统装置由频率转换器依次串接步进电机控制器、步进电机、第二传动装置和舵系统构成，应急操作装置包括主机转速控制器与继电器，GPS导航仪、三维电子罗盘、主机转速控制器与继电器的输出端分别接可编程自动控制器的输入端，可编程自动控制器的输出端分别接无刷直流电机控制器和频率转换器的输入端。2一种智能舵系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤1利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航器检测到的船舶实际位置与航向；2可编程自动控制器对步骤1。
4、所述的船舶实际位置与航向进行字符转换和提取，然后进行位置核算、航向处理、偏航角计算；3计算船舶的偏航距D和偏航角以船舶实际位置坐标距预定航线的距离为偏航距其中X0，Y0为船舶实际位置高斯坐标，FXGYK0为船舶设计航线，其中X、Y分别为设计阶段的船舶位置高斯横纵坐标，F、G、K为船舶设计航线方程的系数且F、G不为零，船舶处在预定航线右侧为正，以船舶实际航线与预定航线的夹角为偏航角|S0|，其中S为船舶预定航线的航向角，0为船舶实际航的航向角，船首偏离预定航线右侧的夹角为正；4判断船舶是否偏航若没有偏航即位置和航向均在预定航线上D0，0，则保持船舶既定航向和航速继续航行；若发生偏航，依据计算结果。
5、运用模糊控制理论进行分类讨论，优化处理，依据模糊控制表得到三种处理结果分别为单独进行操舵控制、单独进行推进控制和操舵与推进同时控制；根据模糊控制理论处理得到操舵舵角和主机转速N，由可编程自动控制器分别向无刷直流电机控制器和频率转换器发出信号，从而实现舵角和航速V的变化；5检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤1，实现实时的闭环控制。权利要求书CN102323820ACN102323830A1/5页3一种智能舵系统及其控制方法技术领域0001本发明属于船舶操纵系统控制技术领域，特别是涉及一种新型智能舵系统及其控制方法，旨在通过该智能装置安装在船舶上以实现船舶的智能操舵功能。背景技术0002随着科。
6、学技术的发展和船舶行业的突飞猛进，有关船舶自动舵系统设计方面也有了一些成就。目前由季本山、龚少军、顾益民发明的一种自动舵数字化电气控制系统申请专利号2009200723429。其系统主要包括可编程控制器，绝对式光电旋转编码器，所述的自动舵数字化控制系统以绝对式光电旋转编码器和可编程控制器为核心，电罗经的航向反馈信号由电罗经的航向输出接口输入可编程控制器，其他输入可编程控制器的信号均采用开关量，舵角的整定、舵角反馈采用绝对式光电旋转编码器。0003此外还有由易建强、赵冬斌、程金发明的一种自动舵航向控制系统及其方法专利号2004101018761。系统包括四部分第一部分有偏航效应、航向角补偿、虚拟。
7、目标航向等功能装置；第二部分有航向偏差装置和航向控制装置；第三部分有舵角指令自调节装置、船速检测装置和操舵装置；第四部分有显示器装置和安全信号箱装置。其实现的方法包括航向角的补偿指令；求出航向偏差值；舵角指令自调节；计算船舶的实际航速；舵角控制指令进行调节；舵角值上传给船桥系统；将船舶装置的实际航向角调整到与目标航向一致；并将各种报警信号发给显示器装置；在显示器上实时显示更新这些信息，并在发生故障时进行报警。0004由此可见目前有关舵控制及其系统方面的发明专利，绝大多数涉及的是单一舵系统自动控制而没有实现整个舵系统的完全自主控制，同时其描述的系统和方法均没有涉及到船舶的推进系统，均将舵控制与船。
8、舶推进控制分离开。然而真正意义上的智能舵需要将船舶舵系统的控制与船舶推进系统的控制紧密结合，从而在实现舵系统的自主控制同时更进一步地解决了船舶无人驾驶中有关操纵问题。因而一种智能舵的发明将较好地解决这一系列问题，为实现船舶无人驾驶提供更加可靠的技术。发明内容0005本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种实现船舶操纵系统的智能控制，提供了一种基于可编程自动控制器的智能舵系统及其控制方法。0006本发明为实现上述目的，采用如下技术方案0007本发明一种智能舵系统，包括可编程自动控制器、组合导航器、推进系统装置、操纵系统装置、应急操作装置，其中组合导航器由GPS导航仪和三维电子罗盘构成，推进系统。
9、装置由无刷直流电机依次串接无刷直流电机控制器、第一传动装置和螺旋桨组构成，操纵系统装置由频率转换器依次串接步进电机控制器、步进电机、第二传动装置和舵系统构成，应急操作装置包括主机转速控制器与继电器，GPS导航仪、三维电子罗盘、主机转速控制器与继电器的输出端分别接可编程自动控制器的输入端，可编程自动控制器的输出端分别接说明书CN102323820ACN102323830A2/5页4无刷直流电机控制器和频率转换器的输入端。0008一种智能舵系统的控制方法包括如下步骤00091利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航器检测到的船舶实际位置与航向；00102可编程自动控制器对步骤1所述的船。
10、舶实际位置与航向进行字符转换和提取，然后进行位置核算、航向处理、偏航角计算；00113计算船舶的偏航距D和偏航角以船舶实际位置坐标距预定航线的距离为偏航距其中X0，Y0为船舶实际位置高斯坐标，FXGYK0为船舶设计航线，其中X、Y为设计阶段的船舶位置高斯坐标，F、G、K为船舶设计航线方程的系数且F、G不为零，船舶处在预定航线右侧为正，以船舶实际航线与预定航线的夹角为偏航角|S0|，其中S为船舶预定航线的航向角，0为船舶实际航的航向角，规定船首偏离预定航线右侧的夹角为正；00124判断船舶是否偏航0013若没有偏航即位置和航向均在预定航线上D0，0，则保持船舶既定航向和航速继续航行；0014若发。
11、生偏航，依据计算结果运用模糊控制理论进行分类讨论，优化处理，依据模糊控制表得到三种处理结果分别为单独进行操舵控制、单独进行推进控制和操舵与推进同时控制；0015根据模糊控制理论处理得到操舵舵角和主机转速N，由可编程自动控制器分别向无刷直流电机控制器和频率转换器发出信号，从而实现舵角和航速V的变化；00165检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤1，实现实时的闭环控制。0017本发明具有如下有益效果00181该系统采用了可编程自动控制器PACPROGRAMMABLEAUTOMATICALLYCONTROLLER作为智能控制的核心，与可编程控制器PLCPROGRAMMABLELOGICCONTRO。
12、LLER不同，PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PCBASED控制中基于对象的、开放数据格式和网络连接等功能。2基于WINDOWSCE操作系统运用模糊控制方法和遗传算法等优化方法，借助VISUALBASICNET程序语言开发出了智能舵系统的软件平台，实现了本系统在水面无人艇船模试验中的智能操纵控制。3本系统可与智能推进系统相结合，安装在船舶上即可实现该船舶的无人自主航行。附图说明0019图1为智能舵系统控制图。0020图2为智能舵系统控制方法流程图。0021图3为模糊控制原理图。具体实施方式0022以下结合附图对智能舵系统及其控制方法作进一步的描述。0023如图1所示本发明智能舵。
13、系统包括可编程自动控制器、组合导航器、推进系统、操说明书CN102323820ACN102323830A3/5页5纵系统、应急操作装置以及相关传动设备。0024可编程自动控制器PACPROGRAMMABLEAUTOMATICALLYCONTROLLER是整个系统的核心，处理数据信息的传输和储存。本系统配置的PAC操作系统为WINDOWSCENET，支持VISUALBASICNET语言进行编程。运用COM1端口的I87017模拟量输入模块、I87024模拟量输出模块和I87064继电器模块进行数据采集、处理和反馈，从而实现对推进系统和操纵系统的控制。运用COM2的RS232串口和COM3的RS4。
14、85串口与组合导航器相连接实现数据采集功能。0025组合导航器主要由GPS导航仪和三维电子罗盘两设备组成。GPS导航仪通过PAC的RS485串口进行数据传输，其传输语句采用NMEA0183标准语句。通过编译提取传输语句中准确的字符得到船舶所在的经纬度坐标和航速等信息。由于GPS导航仪在有遮蔽情况下信号的有效性仅为60。并且在静止的情况下，GPS导航仪也无法给出航向信息。为弥补这一不足，本系统采用GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航定向的方法。三维电子罗盘可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作。三维电子罗盘通过PAC的RS232串口进行数据传。
15、输，其传输语句为ASCII码字符，同样通过编译将ASCII码字符转换成十进制字符并提取船舶的航向、横摇角度、纵摇角度等信息。0026推进系统主要由无刷直流电机及其控制器、传动轴和螺旋桨等组成。将无数直流电机控制器与PAC的I87024模块连接，通过PAC发出的模拟量电压信号传输给控制器，改变模拟量电压的大小可以实现对无刷直流电机的调速功能，从而实现船舶航速的改变。0027操纵系统主要由频率转换器、步进电机及其控制器、传动设备和舵等组成。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。频率转换器可以实现PAC中I87024模块的模拟量电压信号和步进电机控制器的脉冲信号PWM之间的转换，。
16、从而解决了PAC对于步进电机的控制问题。步进电机与舵之间的传动采用了二级齿轮进行降速传动从而提高了其舵角操作精度。0028应急操作装置主要是为预防和处理船舶航行中的紧急情况和突发事件下的不稳定航行状态，采用主机控制器和继电器及时对推进系统和操纵系统进行控制，因而可以大大降低船舶航行的风险，提高船舶航行智能操舵的稳定性。0029相关传动设备主要实现智能舵各装置之间的连接和数据传输功能。0030建立合理的硬件体系，结合图2将智能舵系统的控制方法步骤描述如下00311利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航器检测到的船舶实际位置与航向；00322PAC进行字符转换和提取，然后进行位置核算。
17、和航向处理。计算方法将由GPS检测到的经纬度坐标北纬N，东经E，利用高斯投影转换得到高斯坐标X，Y。00333计算船舶的偏航距D和偏航角。计算方法为以船舶实际位置坐标距预定航线的距离为偏航距其中X0，Y0为船舶实际位置高斯坐标，假设FXGYK0为船舶设计航线，规定船舶处在预定航线右侧为正，以船舶实际航线与预定航线的夹角为偏航角|S0|其中S为船舶预定航线的航向角，0为船舶实际航的航向角，规定船首偏离预定航线右侧的夹角为正。说明书CN102323820ACN102323830A4/5页600344判断船舶是否偏航。0035若没有偏航即位置和航向均在预定航线上D0，0，则保持船舶既定航向和航速继续。
18、航行；0036若发生偏航，依据计算结果运用模糊控制理论进行分类讨论，优化处理，依据模糊控制表见表1，表中L表示船长，B表示船宽可得到三种处理结果分别为单独进行操舵控制、单独进行推进控制和操舵与推进同时控制。操舵控制意味着舵角的改变，推进控制意味着主机转速的改变。0037根据模糊控制理论处理得到操舵舵角和主机转速N，由PAC分别向无刷直流电机控制器和频率转换器发出信号，从而实现舵角和航速V的变化。00385检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤1，实现实时的闭环控制。0039结合图3将智能舵控制系统系统控制方法中的模糊控制理论进行描述。模糊控制工作原理是把由传感设备测出的精确量转成适于模糊运算的模糊量，然后将这些模糊量在模糊控制表中加以运算，最后再将运算结果中的模糊量转换成精确量，以便对各执行器进行具体的操作控制。图3中偏航距D与偏航角为模糊控制的输入量，对偏航距D与偏航角进行组合模糊化，再进过模糊控制规则得出模糊控制量。由模糊判决后得到控制量，最后输出对象为操舵舵角和主机转速N。0040说明书CN102323820ACN102323830A5/5页7说明书CN102323820ACN102323830A1/2页8图1说明书附图CN102323820ACN102323830A2/2页9图2图3说明书附图CN102323820A。