0 引　言

随着各国航海领域的不断扩大，海洋中不断出现大量航行的船舶^[1]，但是，船舶在航行过程中常常会遇到多种障碍，如礁石、漩涡等恶劣海洋环境，导致船舶航行安全常常受到严重威胁^[2]，对船舶造成重大的经济损失。为此，设计有效的船舶操作控制系统，可以避免船舶陷入危险环境中^[3]。

有较多学者对船舶操作与控制进行研究，钱巨等^[4]研究基于场景模型的DDS架构一体化船舶任务系统，该系统主要针对船舶任务处理进行研究，并结合场景模型实现测试了控制效果，但该系统无法精准控制船舶避障，使得船舶在遭遇严重危险时无法及时躲避。杨元龙等^[5]研究基于数字孪生的船舶蒸汽动力总体模型框架，该模型利用数字孪生技术构建了实现船舶的有效控制，但该模型仅能够控制蒸汽动力船舶，无法全面控制多种船舶类型。

嵌入式技术是一种结合计算机技术与硬件设备的操作处理技术，该技术可以有效实现多任务、多线程并行处理，因此广泛应用于航海等领域，可以使不同设备得到精准的控制^[6]。为此，本文研究基于嵌入式技术的船舶操作系统通用软件架构设计，利用嵌入式技术，实现船舶的有效控制。

1 船舶操作系统通用软件架构设计 1.1 嵌入式船舶操作系统通用软件架构总体设计

船舶操作系统通用软件架构分为两部分，一部分是通过嵌入式技术设计的具备网络传输功能的服务端，将嵌入式处理器嵌入到船舶中实现；另一部分为远程船舶操作的客户端。两部分通过网络实现远程连接，总体实现过程如图1所示。

服务端部分主要通过控制处理单元、网络接口单元以及本地接口单元实现。在本地接口单元中，主要通过电平转换电路实现，该电路负责电传接口与RS-232C接口之间的转换，使控制处理单元与电传接口中的数据能够实现传输^[7,8]；控制处理单元通过嵌入式处理器S3C44B0X及其外围电路构成，该单元主要用于串口数据与网络数据的收发；网络接口单元通过以太网控制器RTL8019AS与RJ45接口组成，该单元负责网络接入功能，通过该单元可以实现控制处理单元与通用软件的链接。

客户端通过一台接入网络的PC机构成，在客户端中包含详细的通用软件内容，在客户端中，对嵌入式技术获取的数据进行统一的收发与处理。在客户端中发送命令至电传接口，当装备获取命令后迅速响应，并利用嵌入式处理器以及RJ45发送信息至客户端，在客户端中通过不同服务实现数据处理。

1.2 操作系统通用软件架构详细设计

为增强船舶操作系统的可用性，结合ASAAC，ARINC653软件结构模型，对PC机上运行的船舶操作系统通用软件架构进行详细设计，将软件架构自顶向下划分为4层，分别为嵌入式资源层、模块支持层、操作系统层以及应用层，具体软件架构如图2所示。

其中，该软件架构最高的即为应用层，该层负责完成各项通用软件功能，具体包括航向控制、均在控制等船舶操作内容；操作系统层主要用分区管理、进程管理以及服务管理等工作，通过该层可以实现嵌入式处理器数据的存储；资源支持层用于实现资源访问服务，通过该层访问嵌入式处理器中的数据，而嵌入式资源层用于获取船舶的运行数据，并将其他层提供的指令传输给船舶。

通过这一形式构造的通用软件架构每项功能之间相互独立，且均按照相应接口标准实现数据传输，因此该通用软件架构更便于系统软件扩展，可随时升级系统中的新内容与新技术。

1.3 航向控制模块

对操作系统通用软件架构内的应用进行详细设计，构建航向控制模块，通过航向PID控制器实现船舶航向控制，完成航向控制功能搭建。

现阶段较为流行的船舶控制模式是通过比例-微分-积分（PID）控制功能实现船舶自动舵控制，该控制方程为：

$ \delta {\text{ = }} - \left( {{K_p}{\varphi _0} + {K_d}{\varphi _0} + {K_t}\int {{\varphi _0}{\rm{d}}t} } \right)。$

(1)

式中： $ \delta $ 表示PID控制器控制结果； $ {K_p} $ ， $ {K_d} $ ， $ {K_t} $ 分别为比例系数、积分系数、微分系数； $ {\varphi _0} $ 为航行参数。本文向PID控制器中加入积分环节，使航行过程中可以降低舵机的高频运动，使船舶更加稳定，这一控制方式依靠偏航角的积累值，通过舵叶在首尾线上的自动偏转，生成一个恒定的转船力矩，以此使船舶在安全状态下运行。此时，PID控制器根据船舶设定值 $ r\left( t \right) $ 与实际运行输出值 $ c\left( t \right) $ 生成控制误差 $ e\left( t \right) $ ，即

$ e\left( t \right) = r\left( t \right) - c\left( t \right)。$

(2)

该误差的控制规律可表示为：

$ u\left( t \right) = {K_p}\left[ {e\left( t \right) + \frac{{\int_0^t {e\left( t \right){\rm{d}}t} }}{{{T_i}}} + \frac{{{T_d}{\rm{d}}e\left( t \right)}}{{{\rm{d}}t}}} \right] 。$

(3)

式中，u(t)为误差控制律；T_i和T_d分别为积分时间常数与微分时间常数。还可以将控制过程写为传递函数形式，公式为：

$ G\left( s \right) = \frac{{U\left( s \right)}}{{E\left( s \right)}} = {K_p}\left( {1 + \frac{1}{{{T_i}s}} + {T_d}s} \right)。$

(4)

式中： $ G\left( s \right) $ 为船舶控制结果的传递函数； $ U\left( s \right) $ 为控制规律传递函数； $ E\left( s \right) $ 为控制误差传递函数。通过这一形式，实现船舶航行控制，使船舶按照理想的航线航行，避免发生事故。

2 实验分析

通过仿真模拟方式将已构建的船舶操作系统嵌入到某一仿真运行的船舶中，对船舶航行状态进行控制操作，同时搭建仿真模拟海景地图，在该地图中验证操作系统的控制能力，表1为该船的具体运行参数。

验证本文系统在复杂海域环境下的航行控制效果，分析在本文操作系统的控制下，船舶能否及时躲避障碍物，分析结果如图3所示。

可知，在本文操作系统的控制下，船舶在较少障碍点海域环境内可实现有效避障，且在本文控制的航线可以实现最短航行距离，避免船舶出现过多损耗；当海域环境较为恶劣时，即海洋不仅存在障碍点，还存在风浪漩涡以及危险区域下，经本文方法控制后依然能够有效避开海域障碍点，实现精准避障，并迅速前往目的地。因此，在本文系统的控制下，可以保障船舶安全的行驶。

应用本文系统控制船舶的航行速度，在航行过程中不断调整航速，在初始运行阶段，将速度设置为15 km/h，当行驶60 min时，提升速度，调整为30 km/h，继续行驶至120 min时，提升航速为40 km/h，当航行达到240 min后，向下调整航速为30 km/h，验证本文系统的控制能力，分析结果如图4所示。

可知，在本文系统的控制下，船舶可按照理想速度运行，每当调整航速时，船舶均能够迅速响应，快速调整到相应速度，且在该速度航行，船舶并未发生较大的速度波动，始终处于稳定的方式运行，因此本文系统可以保证船舶运行速度得到很好的控制。

3 结　语

设计基于嵌入式技术的船舶操作系统通用软件架构，结合嵌入式技术，构建船舶操作系统，并对该系统中的通用软件架构进行详细设计，同时利用仿真实验验证该系统的应用效果。在未来研究过程中，可结合现有船舶操作系统内容，继续深入优化系统应用软件，使该系统能够全面控制船舶，保证船舶能够更安全稳定航行。