本发明涉及船舶自动航行控制领域，具体地说，是一种非动力船航迹自动跟随装置和方法，适用于拖船船队。
背景技术：
拖船是指用来拖动驳船和轮船的船舶。拖船的特点是结构牢固、稳定性好、船身小、主机功率大、牵引力大、操纵性能良好，但它本身没有装卸能力。它主要拖带载运物资的驳船和各种作业船。按照使用地区的不同，拖船可分为远洋拖船、内河拖船、沿海拖船、港内拖船、海洋救援拖船等种类。拖船在性能上的共性要求是拖带时的稳性要求较高，操纵性较重要。同时，依各类型拖船的使用任务的差别，又各有其设计上的特殊问题。因此，相应有不同的设计特点。
拖船系统是一种一带多的运输系统，由一个能够提供动力的拖船和多个非动力船组成，船之间通过绳链连接，目前大多采用人工控制非动力船跟随拖船航迹，自动化程度低，需要大量人工，效率低，成本高。
技术实现要素：
本发明提供了一种非动力船自动跟随航迹的装置和方法，使得非动力船在装置控制下能够安全平稳地按照要求运行，无需人工现场干预非动力船，从而大大降低了人工成本和整体运输成本。
本发明采用的具体技术方案如下：一种非动力船航迹自动跟随装置，包括拖船控制装置和非动力船控制装置两部分。
在上述技术方案中，拖船控制装置包括主控模块、卫星导航模块、通信模块、人机交互模块，主控模块与各模块相连接。主控模块用于模块控制和数据处理，卫星导航模块用于拖船位置数据采集，通信模块用于与非动力船传送数据，所述人机交互模块用于查看非动力船航行位置与状态，设置手动控制或自动控制。
在上述技术方案中，非动力船控制装置包括主控模块、卫星导航模块、通信模块、传感器模块，主控模块与各模块相连接。主控模块用于非动力船航行控制及数据计算处理，卫星导航模块用于非动力船位置数据采集，通信模块用于与拖船传送数据，传感器模块即舵角传感器，用于测量非动力船的舵角数据。
本发明的进一步改进，拖船与非动力船之间由拖绳连接，每条船上都安装控制装置，拖船与非动力船间通过装置的通信模块交换航行数据。
本发明还披露了一种非动力船航迹自动跟随方法，使用以上非动力船航迹自动跟随装置，拖船由人工控制，非动力船可在拖船的人机交互界面选择自动或手动控制，手动控制时，拖船可远程控制各非动力船舵角；船选取经过的位置点发送至非动力船；非动力船按顺序逐个航行至拖船发送的位置点，保持与拖船航迹相同；非动力船控制装置将卫星定位设备获取的实际航向与目标航向进行比较，得到航向偏差，根据航向差调整舵角，使非动力船在拖绳的牵引下能够顺利达到当前目标位置点，从而实现航迹跟随的功能。
本发明的进一步改进，上述非动力船航迹自动跟随方法，具体包括以下步骤：步骤1：拖船每隔一段距离通过卫星定位装置记录当前位置点并将位置数据发送给非动力船，选取的位置点间距离不超过拖绳长度。
步骤2：非动力船建立顺序队列结构，接收到拖船的位置数据后储存至队列中，根据队列数据航行。
步骤3：以队头存储的位置数据为临时目标点调整舵角。将卫星定位设备获取的实际航向与目标航向进行比较，得到航向偏差，根据航向偏差计算期望舵角，根据期望舵角驱动舵机控制非动力船的航向。
步骤4：非动力船在未到达临时目标点时接收到的新的位置数据按顺序存放至队列中。
步骤5：当非动力船到达临时目标点时，该点的位置数据从队列中删除，以下一个队头存储的位置数据为临时目标点调整舵角。
本发明的有益效果：本发明可代替人工对非动力船航迹进行控制，大大降低拖船船队的人工成本；系统可自动运行，也可由人工远程控制非动力船的航向。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中控制装置结构图。
图3是本发明中航迹跟随示意图。
图4是本发明中航迹控制流程图。
图5是本发明中队列数据示意图。
图6是本发明航迹跟随仿真图一。
图7是本发明航迹跟随仿真图二。
图8是本发明航迹跟随仿真图三。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1所示，拖船与非动力船之间由拖绳连接，每条船上都安装控制装置，拖船与非动力船间通过装置的通信模块交换航行数据。
如图2所示，拖船控制装置包括主控模块、卫星导航模块、通信模块、人机交互模块，主控模块与各模块相连接，主控模块用于模块控制和数据处理，卫星导航模块用于拖船位置数据采集，通信模块用于与非动力船传送数据，所述人机交互模块用于查看非动力船航行位置与状态，设置手动控制或自动控制；非动力船控制装置包括主控模块、卫星导航模块、通信模块、传感器模块，主控模块与各模块相连接，主控模块用于非动力船航行控制及数据计算处理，卫星导航模块用于非动力船位置数据采集，通信模块用于与拖船传送数据，传感器模块即舵角传感器，用于测量非动力船的舵角数据。
非动力船航迹自动跟随方法如图3所示：1、拖船由人工控制，非动力船可在拖船的人机交互界面选择自动或手动控制，手动控制时，拖船可远程控制各非动力船舵角。
2、拖船选取经过的位置点发送至非动力船。
3、非动力船按顺序逐个航行至拖船发送的位置点，保持与拖船航迹相同。
4、非动力船控制装置将卫星定位设备获取的实际航向与目标航向进行比较，得到航向偏差，根据航向差调整舵角，使非动力船在拖绳的牵引下能够顺利达到当前目标位置点，从而实现航迹跟随的功能。
具体方法流程图如图4所示：步骤1：拖船每隔一段距离通过卫星定位装置记录当前位置点并将位置数据发送给非动力船，选取的位置点间距离l不超过拖绳长度。
步骤2：如图5所示，非动力船建立顺序队列结构，接收到拖船的位置数据后储存至队列中，根据队列数据航行。
步骤3：以队头存储的位置数据为临时目标点调整舵角。将卫星定位设备获取的实际航向与目标航向进行比较，得到航向偏差，根据航向偏差计算期望舵角，根据期望舵角驱动舵机控制非动力船的航向。
步骤4：非动力船在未到达临时目标点时接收到的新的位置数据按顺序存放至队列中。
步骤5：当非动力船到达临时目标点时，该点的位置数据从队列中删除，以下一个队头存储的位置数据为临时目标点调整舵角。
选取非动力船数量为3，设置一段河道，每隔距离拖船记录当前位置点，并按先后顺序发送至3条非动力船，得到非动力船航迹仿真结果如图6-图8所示。由仿真图可看出直行时航迹偏差较小，而通过弯道时，非动力船航迹略有偏差，但可以顺利通过河道。仿真结果显示，非动力船能够按照拖船发送的位置点进行航迹跟随。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
1.一种非动力船航迹自动跟随装置，其特征在于，包括拖船控制装置和非动力船控制装置两部分；所述拖船控制装置包括主控模块、卫星导航模块、通信模块、人机交互模块，主控模块与各模块相连接；所述非动力船控制装置包括主控模块、卫星导航模块、通信模块、传感器模块，主控模块与各模块相连接。
2.根据权利要求1所述的非动力船航迹自动跟随装置，其特征在于，所述拖船控制装置和非动力船控制装置之间通过装置的通信模块交换航行数据。
3.一种非动力船航迹自动跟随方法，其特征在于，使用如权利要求2所述的非动力船航迹自动跟随装置，具体包括以下步骤：
步骤1：拖船每隔一段距离通过卫星定位装置记录当前位置点并将位置数据发送给非动力船，选取的位置点间距离不超过拖绳长度；
步骤2：非动力船建立顺序队列结构，接收到拖船的位置数据后储存至队列中，根据队列数据航行；
步骤3：以队头存储的位置数据为临时目标点调整舵角，将卫星定位设备获取的实际航向与目标航向进行比较，得到航向偏差，根据航向偏差计算期望舵角，根据期望舵角驱动舵机控制非动力船的航向；
步骤4：非动力船在未到达临时目标点时接收到的新的位置数据按顺序存放至队列中；
步骤5：当非动力船到达临时目标点时，该点的位置数据从队列中删除，以下一个队头存储的位置数据为临时目标点调整舵角。
技术总结