CN104002949B

CN104002949B - 船舶侧推装置及侧推方法

Info

Publication number: CN104002949B
Application number: CN201410227377.0A
Authority: CN
Inventors: 周航; 刘予学; 兰锋; 徐在强; 马善伟; 刘赟
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: 711th Research Institute of CSIC
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: CN104002949A

Abstract

本发明公开了一种船舶侧推装置及侧推方法，该船舶侧推装置包括：2n台360º全回转推进器，该2n台360º全回转推进器安装在船舶的尾部，且相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧，其中：n≥1；用于实时检测船舶的位置坐标的第一检测装置；用于实时检测船舶的航向角的第二检测装置；以及，侧推控制装置。侧推控制装置的信号输入端分别与第一检测装置的信号输出端和第二检测装置的信号输出端连接，侧推控制装置的控制输出端分别与2n台360º全回转推进器的控制输入端连接，用于控制该2n台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小，从而实现船舶的侧推。

Description

船舶侧推装置及侧推方法

技术领域

本发明涉及一种船舶侧推装置及侧推方法。

背景技术

船舶在离靠码头时需要将船舶水平地移动，如内河的渡轮，每天往返码头几十次，每次离靠码头都需要依靠船长熟练的操纵技能来控制船舶水平移动。即便经验丰富的船长，也很难将船舶水平地靠上码头。要实现船舶侧推平移，通常的做法是在船舶上安装艏推装置和艉推装置，但基于成本考虑，这种做法仅在大型远洋船舶上有应用价值。

图1为现有的360º全回转推进器的结构示意图，其包括螺旋桨91、可驱动螺旋桨91进行360º旋转的伺服电机92以及控制螺旋桨91的转速的推进电机93，通过控制伺服电机92可以使螺旋桨的周向转动角度在360º范围内改变，从而达到改变推力方向的目的，通过控制推进电机93可以改变螺旋桨的转速，从而实现对推力大小的控制。目前，在实际应用中，人们通常利用1台或多台360º全回转推进器实现普通船舶的推进（前进及后退）和转向（左转、右转、左掉头及右掉头）功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用360º全回转推进器实现船舶侧推的装置及其侧推方法。

本发明提供了一种船舶侧推装置，包括：

2n台360º全回转推进器，该2n台360º全回转推进器安装在船舶的尾部，且相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧，其中：n≥1；

第一检测装置，用于实时检测船舶的位置坐标；

第二检测装置，用于实时检测船舶的航向角；

侧推控制装置，该侧推控制装置的信号输入端分别与第一检测装置的信号输出端和第二检测装置的信号输出端连接，该侧推控制装置的控制输出端分别与该2n台360º全回转推进器的控制输入端连接，用于控制该2n台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小。

本发明还公开一种实现船舶侧推的方法，包括以下步骤：

步骤1，将船舶调整到位于侧推目标位置正前方的侧推起始位置，在侧推目标位置与侧推起始位置之间为该船舶的预期平移路径；

步骤2，通过侧推控制装置控制2n台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小，使F1_x与F2_x的方向相同，均指向侧推目标位置，使F1_y与F2_y的大小相等，方向相反；其中：该2n台360º全回转推进器安装在船舶的尾部，且相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧，n≥1；F1_x为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力，F2_x为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力；F1_y为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在平行于船舶中轴线方向的分力，F2_y为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F2在平行于船舶中轴线方向的分力；

步骤3，在船舶平移的过程中，侧推控制装置根据第一检测装置检测到的船舶位置坐标和第二检测装置检测到的船舶航向角，对2n台360º全回转推进器的推力方向和/或推力大小进行实时调整，以使船舶的当前移动路径符合所述的预期平移路径，直到船舶移动到所述的侧推目标位置。

本发明于船舶尾部、并在船舶中轴线两侧对称地安装有2n（n≥1）台360º全回转推进器，通过改变该2n台360º全回转推进器的推进方向和推力大小，可实现船舶的侧推。

附图说明

图1为现有的360º全回转推进器的结构示意图。

图2是本发明船舶侧推装置的一个实施例的原理图。

图3是本发明的GPS接收机和电罗经的安装示意图。

图4是本发明的船舶侧推装置实现船舶侧推的力学原理图。

图5是用本发明的船舶侧推装置实现船舶左侧推的示意图。

图6是用本发明的船舶侧推装置实现船舶右侧推的示意图。

图7是根据本发明一实施例的船舶侧推平移过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

请参考图2至图4。根据本发明一实施例的船舶侧推装置包括2台360º全回转推进器9a和9b、用于实时检测船舶的位置坐标的第一检测装置8、用于实时检测船舶的航向角的第二检测装置7以及侧推控制装置6。上述的2台360º全回转推进器9a和9b均安装在船舶的尾部，且相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧。

侧推控制装置6的信号输入端分别与第一检测装置8的信号输出端和第二检测装置7的信号输出端连接，侧推控制装置6的控制输出端分别与该2台360º全回转推进器的控制输入端连接，用于控制该2台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小。

在该实施例中，第一检测装置8为GPS接收机，第二检测装置7为电罗经，该GPS接收机安装在船舶的中轴线上。优选地，GPS接收机的数量为两台，其中一台GPS接收机靠近船头，另一台GPS接收机靠近船尾，该两台GPS接收机对称地位于船舶质心（船舶质心位于船舶的中轴线上）的两侧，电罗经位于该两台GPS接收机之间，如图3所示。

对两台360º全回转推进器的推力F1和F2进行受力分解和力矩分析，如图4所示。其中，坐标系X轴的方向垂直于船舶中轴线，坐标系y轴的方向平行于船舶中轴线。将F1和F2进行受力分解，得F1_x、F2_x、F1_y与F2_y。船舶要水平侧推，垂直方向的力需要F1_y=F2_y。如果水平方向的力F1_x+F2_x<0船舶向左运动，如图5所示，如果F1_x+F2_x>0船舶向右运动，如图6所示。对F1和F2进行力矩分析，L1为F1到船舶质心O的距离，L2为F2到质心O的距离。要使船舶不旋转运动，推力的力矩F1×L1=F2×L2。由于本实施例中的2台360º全回转推进器9a和9b相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧，质心O也是位于船舶中轴线上的，因此L1=L2。在这种情况下，只需要使F1=F2就能实现船舶水平侧推。

360º全回转推进器的数量不限于2台，可以是2n台，其中，n≥1，如4台等、6台等。该2n台360º全回转推进器安装在船舶的尾部，且相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧，即，在船舶中轴线的每一侧设有n台360º全回转推进器。

进一步地，侧推控制装置6包括输入模块61和推进器控制模块62。其中，输入模块61用于接收用户输入的侧推指令，并将该侧推指令发送给所述的推进器控制模块62。在一种实施方式中，该输入模块61可以是一操作手柄。推进器控制模块62用于在接收到该侧推指令时控制2n台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小，使F1_x与F2_x的方向相同，均指向侧推目标位置，使F1_y与F2_y的大小相等，方向相反；其中： F1_x为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力，F2_x为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力；F1_y为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在平行于船舶中轴线方向的分力，F2_y为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F2在平行于船舶中轴线方向的分力；并且，在该船舶平移的过程中，推进器控制模块62根据第一检测装置8检测到的船舶位置坐标和第二检测装置7检测到的船舶航向角，对2n台360º全回转推进器的推力方向和/或推力大小进行实时调整，以使船舶的当前移动路径符合预期平移路径，直到船舶移动侧推目标位置。预期平移路径是指位于侧推目标位置正前方的侧推起始位置与该侧推目标位置之间的路径，预期平移路径垂直于船舶的中轴线。

根据本发明一实施例的实现船舶侧推的方法，包括以下步骤：

图7是根据本发明一实施例的船舶侧推平移过程示意图，下面结合图7对发明的实现船舶侧推的方法进行更加详细的说明。

图中，仅以安装2台360º全回转推进器举例，该2台360º全回转推进器沿船舶中轴线对称安装。用于实时检测船舶的位置坐标的第一检测装置8的数量为两台，其中一台第一检测装置8设置在A点，其在侧推起始位置测得的位置坐标为（x'₁, y'₁），另一台第一检测装置8设置在B点，作为冗余使用，其在侧推起始位置测得的位置坐标为（x₁, y₁），A点和B点均位于船舶中轴线上，并对称地位于船舶质心O点的两侧。用于实时检测船舶的航向角的第二检测装置7在侧推起始位置测得的航向角为θ₁。侧推目标位置靠近码头。在侧推目标位置与侧推起始位置之间为该船舶的预期平移路径（在图中是沿X轴方向）。

要使船舶不旋转运动，使F1 =F2即可。船舶要水平侧推，则需要F1_y=F2_y，为便于计算，可使2台360º全回转推进器的周向旋转角度θ'的大小相等。因此，在收到用户输入的向右侧推指令后，侧推控制装置则控制2台360º全回转推进器的螺旋桨周向转动角度，使二者的螺旋桨旋转到图7中F1和F2的方向,此时二者的周向旋转角度θ'的大小相等，并且，侧推控制装置还控制该2台360º全回转推进器的螺旋桨的转速，使二者转速相等，从而产生相同大小的推力（即F1=F2）。

完成上述控制后，船舶会在F1与F2的水平分量F1_x与F2_x的共同作用下向右水平移动。在船舶运动过程中，侧推控制装置通过实时监控第一、第二检测装置的检测信息，调整推力大小和方向实现船舶的侧推平移。该实施例中，船舶在移动过程中，由于水流等干扰因素，船舶偏离了预期平移路径，而移动到了图中的位置1。在位置1，A点的第一检测装置测得的位置坐标为（x'₂, y'₂），B点的第一检测装置测得的位置坐标为（x₂, y₂），第二检测装置测得的航向角为θ₂。侧推控制装置通过比较（x₂, y₂）与（x₁, y₁）、以及θ₂与θ₁，可以判断船舶位于预期偏离路径的上方并沿顺时针方向发生了偏转。要使船舶移动到侧推目标位置，船舶需要向船尾方向移动并且逆时针旋转。侧推控制装置通过提高右侧360º全回转推进器的转速，即加大推力F2，导致F1×L1＜F2×L2，船舶逆时针旋转，同时，y轴方向的力F1_y＜F2_y，船舶会向下移动。在一具体的实施方式中，侧推控制装置采用的调整算法如下：

a、当y₂ ≠y₁且θ₁≠θ₂

F2=λ₁（y₂－y₁）+F1

b、当y₂=y₁，θ₁≠θ₂

F2=λ₂（θ₂－θ₁）；F2调整到垂直于船舶中轴线方向（如果左偏向左垂直，右偏向右垂直）；F1=0

c、当y₂≠ y₁，θ₁=θ₂

F2=F1=λ₃（y₂－y₁），F1、F2调整到平行于船舶中轴线方向；

其中，λ₁、λ₂、λ₃为常数，根据船舶尺寸、推进器功率和实船试验得出。在一实施例中，可选λ₁=λ₂=λ₃=1。

对2n台360º全回转推进器的推力方向和推力大小进行调整后，船舶逆时针旋转，并沿l₂方向从位置1移动到侧推目标位置。

以上示例是以控制船舶逆时针转动、并向下移动作为示例，上述的调整算法也适用于其它各种调整情况，例如控制船舶顺时针转动、往上移动等。

Claims

1.船舶侧推装置，其特征在于，包括：

2n台360º全回转推进器，该2n台360º全回转推进器安装在船舶的尾部，且相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧，其中：n=1；

第一检测装置，用于实时检测船舶的位置坐标；所述第一检测装置的数量为两台，其中一台第一检测装置设置在A点，另一台第一检测装置设置在B点，A点和B点均位于船舶的中轴线上，并对称地位于船舶质心的两侧，其中B点靠近船尾；

第二检测装置，用于实时检测船舶的航向角；

侧推控制装置，该侧推控制装置的信号输入端分别与第一检测装置的信号输出端和第二检测装置的信号输出端连接，该侧推控制装置的控制输出端分别与该2n台360º全回转推进器的控制输入端连接，用于控制该2n台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小；所述的侧推控制装置包括输入模块和推进器控制模块，其中：

输入模块用于接收用户输入的侧推指令，并将该侧推指令发送给所述的推进器控制模块；

推进器控制模块用于在接收到用户输入的侧推指令时控制2n台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小，使F1x与F2x的方向相同，均指向侧推目标位置，使F1y与F2y的大小相等，方向相反；其中： F1x为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力，F2x为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力；F1y为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在平行于船舶中轴线方向的分力，F2y为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F2在平行于船舶中轴线方向的分力；并且，在该船舶平移的过程中，所述的推进器控制模块根据第一检测装置检测到的船舶位置坐标和第二检测装置检测到的船舶航向角，对2n台360º全回转推进器的推力方向和/或推力大小进行实时调整，以使船舶的当前移动路径符合预期平移路径，直到船舶移动到所述的侧推目标位置；在该船舶平移的过程中：当y2 ≠y1且θ1≠θ2，则使F2=λ1（y2－y1）+F1；当y2=y1，θ1≠θ2，则使F2=λ2（θ2－θ1），并将F2调整到垂直于船舶中轴线方向，如果船舶左偏则F2向左垂直，如果船舶右偏F2向右垂直，同时使F1=0；当y2≠ y1，θ1=θ2，则使F2=F1=λ3（y2－y1），并将F1、F2调整到平行于船舶中轴线方向；位于B点的第一检测装置在侧推起始位置测得的位置坐标为（x₁, y₁），在船舶平移的过程中测得的位置坐标为（x₂, y₂）；第二检测装置在侧推起始位置测得的航向角为θ₁，在船舶平移的过程中测得的航向角为θ₂；λ₁=λ₂=λ₃=1。

2.如权利要求1所述的船舶侧推装置，其特征在于，所述的第二检测装置为电罗经。

3.如权利要求1所述的船舶侧推装置，其特征在于，所述的第一检测装置为GPS接收机。

4.如权利要求3所述的船舶侧推装置，其特征在于，所述的GPS接收机安装在船舶的中轴线上。

5.如权利要求4所述的船舶侧推装置，其特征在于，所述GPS接收机的数量为两台，其中一台GPS接收机靠近船头，另一台GPS接收机靠近船尾，该两台GPS接收机对称地位于船舶质心的两侧。

6.实现船舶侧推的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2，通过侧推控制装置控制2n台360º全回转推进器的推力方向以及推力大小，使F1_x与F2_x的方向相同，均指向侧推目标位置，使F1_y与F2_y的大小相等，方向相反；其中：该2n台360º全回转推进器安装在船舶的尾部，且相互对称地分别设置于船舶中轴线的两侧，n=1；F1_x为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力，F2_x为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在垂直于船舶中轴线方向的分力；F1_y为位于船舶中轴线一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F1在平行于船舶中轴线方向的分力，F2_y为位于船舶中轴线另一侧的n台360º全回转推进器的推进合力F2在平行于船舶中轴线方向的分力；

步骤3，在船舶平移的过程中，侧推控制装置根据第一检测装置检测到的船舶位置坐标和第二检测装置检测到的船舶航向角，对2n台360º全回转推进器的推力方向和/或推力大小进行实时调整，以使船舶的当前移动路径符合所述的预期平移路径，直到船舶移动到所述的侧推目标位置，其中：第一检测装置的数量为两台，其中一台第一检测装置设置在A点，另一台第一检测装置设置在B点，A点和B点均位于船舶的中轴线上，并对称地位于船舶质心的两侧，其中B点靠近船尾；在该船舶平移的过程中：当y2 ≠y1且θ1≠θ2，则使F2=λ1（y2－y1）+F1；当y2=y1，θ1≠θ2，则使F2=λ2（θ2－θ1），并将F2调整到垂直于船舶中轴线方向，如果船舶左偏则F2向左垂直，如果船舶右偏F2向右垂直，同时使F1=0；当y2≠ y1，θ1=θ2，则使F2=F1=λ3（y2－y1），并将F1、F2调整到平行于船舶中轴线方向；位于B点的第一检测装置在侧推起始位置测得的位置坐标为（x₁, y₁），在船舶平移的过程中测得的位置坐标为（x₂, y₂）；第二检测装置在侧推起始位置测得的航向角为θ₁，在船舶平移的过程中测得的航向角为θ₂；λ₁=λ₂=λ₃=1。

7.如权利要求6所述的实现船舶侧推的方法，其特征在于，所述的第一检测装置为GPS接收机，所述的第二检测装置为电罗经。