CN104648645A - 一种可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇，包括喷水推进船体平台和由手柄终端与船载控制器组成的矢量控制器，其中：手柄终端用于船员操作，可实现船艇跟随操纵手柄的运动方向和运动幅度作相应运动的矢量控制；船载控制器装在喷水推进船体平台的船舯处，用于接收手柄终端发出的指令，控制喷水推进船体平台上喷水推进器的转速、喷嘴转角以及倒车斗收放位置。本发明简化了喷水推进船艇作各种复杂机动运动的操纵过程，只需操作矢量控制器手柄终端上的两个手柄，船体即可跟随手柄的操纵进行相应运动，可充分挖掘喷水推进船艇优良的操纵性和机动性。

Description

一种可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇

技术领域

本发明涉及船舶操纵性领域，具体为一种可以通过简单直观的操作实现喷水推进船艇跟随操纵手柄作相应运动的喷水推进艇。

背景技术

喷水推进在高速高性能船艇上得到了广泛应用，它具有比螺旋桨推进更好的机动性和操纵性。理论和实践证明装备两台或两台以上喷水推进器的船舶能实现较为复杂的平移等运动。

对于装有两台喷泵的船艇，采用常规的操控装置需要人工同步控制6个变量来实现上述复杂运动，对驾驶员的要求很高，需要准确的理论指导和丰富经验积累才能完成。

然而，平移运动等上述复杂机动操纵对喷水推进船艇安全快捷地进出港口、紧急避碰、安全作业等情况具有较大实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇，该喷水推进艇能通过非常简单的操作控制该艇两台喷水推进器的6个运动变量，实现船体平移运动等复杂的运动操纵。矢量控制的喷水推进艇可充分挖掘喷水推进船艇优良的操纵性和机动性，并降低实现船体复杂运动的难度。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇，包括喷水推进船体平台和由手柄终端与船载控制器组成的矢量控制器，其中：手柄终端用于船员操作，可实现船艇跟随操纵手柄的运动方向和运动幅度作相应运动的矢量控制；船载控制器装在喷水推进船体平台的船舯处，用于接收手柄终端发出的指令，控制喷水推进船体平台上喷水推进器的转速、喷嘴转角以及倒车斗收放。

所述的手柄终端由手柄无线射频模块、航向控制手柄、平移控制手柄、手柄终端嵌入式处理器、参数显示屏、手柄终端电源开关、手柄终端电源接口组成，其中：手柄无线射频模块装于手柄终端左上角，航向控制手柄装于手柄终端左边，平移控制手柄装于手柄终端右边，手柄终端嵌入式处理器装在参数显示屏下方，参数显示屏装于手柄终端中间，手柄终端电源开关装于手柄终端下部，手柄终端电源接口装在手柄终端右侧。

所述的平移控制手柄是一种可以360°转动的控制手柄，操作者向任意方向摇动平移控制手柄，船体就会向相应方向平移；在平移的过程中，若由于风浪流的影响使船体偏航，可通过调整所述航向控制手柄来使船体恢复平移状态。

所述的航向控制手柄可以采用左右转动的手柄，操作者左右摇动航向控制手柄，船艏就会作相应的左右转动。

所述的参数显示屏采用2.8寸TFTLCD显示屏，其显示内容包括喷水推进艇各种运动情况下相应的航行姿态，航速，主机转速，喷嘴转角和倒车斗收放情况。

本发明通过手柄无线射频模块将手柄终端上的控制信号传输给船载控制器，信号经过船载控制器处理后，控制喷水推进器的转速、喷嘴转角和倒车斗收放位置。

所述船载控制器由船载无线射频模块、船载嵌入式处理器组成，其中：船载无线射频模块装在船载控制器的左上方，用于船载控制板与手柄终端嵌入式处理器之间的通信，接收手柄无线射频模块发送的控制信号并将喷水推进装置各部件的控制指令发送至手柄终端；船载嵌入式处理器搭载中央处理系统，装在船载控制器中间，结合控制参数和喷水推进船体平台的左电机编码器、右电机编码器信号参数运算得出对应喷水推进船体平台上喷水推进器各部件的控制指令，并通过信号线进行控制指令传输。

所述船载嵌入式处理器可以采用STM32芯片，搭载中央处理系统，其将手柄终端传来的控制信号处理得到船艇所需运动状态下所对应的喷水推进器的航行姿态、航速、主机转速、喷嘴转角和倒车斗收放情况6个参数，使船体能依照手柄终端的运动方向和运动幅度作相应的船体运动。

本发明与现有技术相比有以下的主要的优点：

使船体复杂运动的操控方法更加简便、操纵精度更高。

(1)操控更加简便：

现有的喷水推进船艇推进控制系统中，转速、转向角和倒车斗由驾驶台的转速控制手柄、倒车控制手柄和舵轮等多套操控设备来控制，要实现平移运动等复杂运动需要人工操控多套驾驶设备来控制两套推进装置的6个参数，操控过程复杂，操纵难度大，易造成船体不能实现预定的运动。

采用本发明开发的矢量控制器，只需操控两个操纵手柄，一个手柄用于控制船体的平移运动方向和运动速度，另一个手柄用于控制航向，即可便捷地实现各种复杂的船体运动，无需人工来同时控制多套驾控设备，极大简化操控复杂度，降低操纵难度。

(2)操纵精度更高

在风浪流等外界干扰的情况下船体出现偏航等运动偏差时，现有的喷水推进船艇推进控制系统中，需要人工操控多套驾驶设备来控制两套推进装置的6个参数并同时观察船体运动来做出相应的航向修正，人工操控船体的准确性和及时性较低，两套推进装置的6个参数的控制同步度也会相应的下降。运用本发明的矢量控制器，只需通过操纵航向控制手柄即可快速地根据船体运动偏差进行航向修正，使喷水推进船艇具有良好的船体运动控制精度。

附图说明

图1为本发明的喷水推进船体平台的结构示意图。

图2是图1中喷水推进装置连杆传动机构的结构示意图。

图3为本发明的手柄终端的结构示意图。

图4为本发明的实施原理图。

图中：1.左倒车斗；2.左泵转向喷嘴；3.左泵主机；4.左电机编码器；5.左泵电机转速调节器；6.右倒车斗；7.右泵转向喷嘴；8.右泵主机；9.右电机编码器；10.右泵电机转速调节器；11.喷水推进装置连杆传动机构；12.船载嵌入式处理器；13.船载控制器；14.船载无线射频模块；15.船体电源；16.左泵喷嘴转向传动杆；17.左泵喷嘴转向舵机；18.左倒车斗收放传动杆；19.左倒车斗收放舵机；20.右泵喷嘴转向传动杆；21.右泵喷嘴转向舵机；22.右倒车斗收放传动杆；23.右倒车斗收放舵机；24.手柄无线射频模块；25.航向控制手柄；26.平移控制手柄；27.手柄终端嵌入式处理器；28.参数显示屏；29.手柄终端电源开关；30.手柄终端电源接口；31.手柄终端；32.左喷水推进器；33.右喷水推进器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步阐述，但不限定本发明。

本发明提供的可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇，其结构如图1至图4所示，主要由喷水推进船体平台和矢量控制器组成。

所述的喷水推进船体平台的结构如图1所示，由现有设备和新增设备构成。现有设备包括左倒车斗1、左泵转向喷嘴2、左泵主机3、左电机编码器4、左泵电机转速调节器5、右倒车斗6、右泵转向喷嘴7、右泵主机8、右电机编码器9、右泵电机转速调节器10、喷水推进装置连杆传动机构11、船体电源15、左泵喷嘴转向传动杆16、左泵喷嘴转向舵机17、左倒车斗收放传动杆18、左倒车斗收放舵机19、右泵喷嘴转向传动杆20、右泵喷嘴转向舵机21、右倒车斗收放传动杆22、右倒车斗收放舵机23。新增设备包括船载控制器13。

所述现有设备各部件的连接关系是：左倒车斗1安装在泵体上，通过左倒车斗收放传动杆18与船舱内的左倒车斗收放舵机19连接；左倒车斗收放舵机19安装在船尾部，通过左倒车斗收放传动杆18，带动左倒车斗1运动；右倒车斗6安装在泵体上，通过右倒车斗收放传动杆22与船舱内的右倒车斗收放舵机23连接；右倒车斗收放舵机23安装在船尾部，通过右倒车斗收放传动杆22，带动右倒车斗6运动；左泵转向喷嘴2安装在泵体上，通过左泵喷嘴转向传动杆16与船舱内的左泵喷嘴转向舵机17；左泵喷嘴转向舵机17安装在船尾部，通过左泵喷嘴转向传动杆16，带动左泵转向喷嘴2转向；右泵转向喷嘴7安装在泵体上，通过右泵喷嘴转向传动杆20与船舱内的右泵喷嘴转向舵机21；右泵喷嘴转向舵机21安装在船尾部，通过右泵喷嘴转向传动杆20，带动右泵转向喷嘴7转向；左泵主机3装在船舯，通过供电线与左泵电机转速调节器5相连。右泵主机8装在船肿，通过供电线与右泵电机转速调节器10相连。船体电源15为11.1V聚合物锂电池，装在船首处，通过供电线分别与左泵电机转速调节器5、右泵电机转速调节器10、左泵喷嘴转向舵机17、右泵喷嘴转向舵机21、左倒车斗收放舵机19、右倒车斗收放舵机23、左电机编码器4、右电机编码器9、船载控制器13相连。

所述船载控制器13与手柄终端31构成矢量控制器。

所述手柄终端31的结构如图3所示，手柄终端由手柄无线射频模块24、航向控制手柄25、平移控制手柄26、手柄终端嵌入式处理器27、参数显示屏28、手柄终端电源开关29、手柄终端电源接口30组成，其中：手柄无线射频模块24安装于手柄终端左上角，用于手柄终端嵌入式处理器27与船载控制器13之间的通信，控制信号发送与船上设备工况的接收等；航向控制手柄25安装于手柄终端左边，可以左右转动，通过内置电位器输出0-5V之间不同的模拟电压值表示航向控制手柄25转动的不同位置；平移控制手柄26安装于手柄终端右边，可以360度转动，通过内置电位器输出两个0-5V之间不同的模拟电压值表示平移控制手柄26在转动平面的不同位置；手柄终端嵌入式处理器27采用STM32芯片，安装在参数显示屏28下方，用于读取航向控制手柄25、平移控制手柄26的位置信息并转化为控制信号，通过手柄无线射频模块24发送至船载控制器13并将控制信号同步传输至参数显示屏28；参数显示屏28为LCD屏幕，安装于手柄终端正中间，显示控制信号和喷水推进装置各部件的工况；手柄终端电源开关29安装于手柄终端下部，控制手柄终端电源的通断；手柄终端电源接口30安装在手柄终端右侧，为2.54-2P端子，可与锂电池相连为手柄终端提供电力。

所述航向控制手柄25是一个合成碳膜摇杆电位器，其中：电位器的电源正负极与手柄终端嵌入式处理器27的电源正负极相连，电位器的输出引脚与手柄终端嵌入式处理器27的引脚相连。

所述平移控制手柄26是一个合成碳膜摇杆电位器，其中：电位器的电源正负极与手柄终端嵌入式处理器27的电源正负极相连，电位器的输出引脚与手柄终端嵌入式处理器27的引脚相连。

所述参数显示屏28可以采用2.8寸TFTLCD显示屏。

所述船载控制器13装在喷水推进船体平台的船舯处，由船载无线射频模块14、船载嵌入式处理器12组成。船载无线射频模块14装在船载控制板的左上方，用于船载控制板与手柄终端嵌入式处理器27之间的通信，接收手柄无线射频模块24发送的控制信号并将喷水推进装置各部件的控制指令发送至手柄终端31。船载嵌入式处理器12安装在船载控制板中间，结合控制参数和左电机编码器4、右电机编码器9信号参数运算得出对应喷水推进船体平台上喷水推进装置各部件的控制指令，并通过信号线进行控制指令传输。

所述船载嵌入式处理器12采用STM32芯片，其中：左电机编码器4信号输出引脚、右电机编码器9信号输出引脚、左泵电机转速调节器5控制信号引脚、右泵电机转速调节器10控制信号引脚、左倒车斗收放舵机19控制信号引脚、右倒车斗收放舵机23控制信号引脚与船载嵌入式处理器12的引脚相连，船载无线射频模块14通过串口与船载嵌入式处理器12相连。

本发明提供的可实现船体矢量控制的喷水推进艇，其工作过程如下：

当需要对船体进行航向控制操作时，操作人员根据船舶需要的运动操纵航向控制手柄25，当船艇驻停时，航向控制手柄25左右掰动对应着船艇向左右原地回转，掰动的幅度大小对应着原地回转的快慢；当船艇正车或倒车时，航向控制手柄25左右掰动对应着船艇左右转向，掰动的幅度大小对应着转向的快慢；在船艇平移过程中，若受到风浪流的影响使船艇产生航向偏差时，则可通过航向控制手柄25来修正航向，航向控制手柄25左右掰动对应着船艏向左右回航。

操作人员需要对船舶进行矢量控制操纵时，操纵平移控制手柄26，往前和往后掰动对应着船艇的正车和倒车；往其他方向掰动对应着船艇向平移控制手柄26掰动的方向平移。平移控制手柄26掰动的幅度大小对应着船艇平移航行的速度大小。手柄终端嵌入式处理器27通过ADC功能读取手柄的掰动方向和掰动幅度并转化为控制信号。

手柄终端31将控制信号通过手柄无线射频模块24传输给船载控制器13。

船载控制器13上的船载无线射频模块14接收控制信号之后，传输至船载嵌入式处理器12进行运算，得到与船体运动状态相应的喷水推进装置各部件参数值，并结合左电机编码器4和右电机编码器9的信号将计算所得参数值转换为PWM信号，驱动左泵主机3、右泵主机8、左泵喷嘴转向舵机17、右泵喷嘴转向舵机21、左倒车斗收放舵机19以及右倒车斗收放舵机23，控制左喷水推进器32和右喷水推进器33的转速、喷嘴转角以及倒车斗收放，使船体按照手柄终端31上航向控制手柄25和平移控制手柄26的运动方向来完成相应的船体运动。

手柄终端31上的手柄终端嵌入式处理器27将接收到的喷水推进装置各部件的控制信号传输至参数显示屏28，参数显示屏28上显示船艇航速、主机转速、喷嘴转角、倒车斗收放情况和船艇的运动姿态。

本发明提供的上述可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇，其相比普通螺旋桨船艇具有更好的机动性和操纵性，但现有喷水推进船艇船体运动的矢量控制大多比较复杂，对于普通配备有两台喷水推进装置的船艇来说，想要精确控制船艇的运动姿态，需同步控制6个变量：左右两台喷水推进器喷泵的主机转速、喷嘴转角及倒车斗的收放位置。而本发明在结合了喷水推进船体平台和矢量控制器之间相关参数后，只需简单地操控矢量控制器中手柄终端的两个操控手柄即可实现船体跟随操控手柄的运动方向和运动幅度作相应运动，无需人工对船舶的6个变量进行同步控制，大大降低喷水推进船艇作平移运动等各种复杂机动操纵的难度。

Claims (8)

1.一种可实现船体运动矢量控制的喷水推进艇，包括喷水推进船体平台，其特征是设有由手柄终端和船载控制器组成的矢量控制器，其中：手柄终端用于船员操作，可实现船艇跟随操纵手柄的运动方向和运动幅度作相应运动的矢量控制；船载控制器装在喷水推进船体平台的船舯处，用于接收手柄终端发出的指令，控制喷水推进船体平台上喷水推进器的转速、喷嘴转角以及倒车斗收放位置。

2.根据权利要求1所述的喷水推进艇，其特征在于手柄终端由手柄无线射频模块(24)、航向控制手柄(25)、平移控制手柄(26)、手柄终端嵌入式处理器(27)、参数显示屏(28)、手柄终端电源开关(29)、手柄终端电源接口(30)组成，其中：手柄无线射频模块(24)装于手柄终端左上角，航向控制手柄(25)装于手柄终端左边，平移控制手柄(26)装于手柄终端右边，手柄终端嵌入式处理器(27)装在参数显示屏(28)下方，参数显示屏(28)装于手柄终端中间，手柄终端电源开关(29)装于手柄终端下部，手柄终端电源接口(30)装在手柄终端右侧。

3.根据权利要求2所述的喷水推进艇，其特征在于：采用可360°转动的平移控制手柄，操作者向任意方向摇动平移控制手柄，船体就会向相应方向平移；在平移的过程中，若由于风浪流的影响使船体偏航，可通过调整所述航向控制手柄来使船体恢复平移状态。

4.根据权利要求2所述的喷水推进艇，其特征在于：采用可左右转动的航向控制手柄，操作者左右摇动航向控制手柄，船艏就会作相应的左右转动。

5.根据权利要求2所述的喷水推进艇，其特征在于：参数显示屏采用2.8寸TFTLCD显示屏，其显示内容包括喷水推进艇各种运动情况下相应的航行姿态，航速，主机转速，喷嘴转角和倒车斗收放情况。

6.根据权利要求2所述的喷水推进艇，其特征在于：手柄终端通过手柄无线射频模块(24)将控制信号传输给船载控制器，信号经过船载控制器处理后，控制喷水推进器的转速、喷嘴转角和倒车斗收放位置。

7.根据权利要求1所述的喷水推进艇，其特征在于所述船载控制器由船载无线射频模块(14)、船载嵌入式处理器(12)组成，其中：船载无线射频模块(14)装在船载控制器的左上方，用于船载控制板与手柄终端嵌入式处理器(27)之间的通信，接收手柄无线射频模块(24)发送的控制信号并将喷水推进装置各部件的控制指令发送至手柄终端(31)；船载嵌入式处理器(12)搭载中央处理系统，装在船载控制器中间，结合控制参数和喷水推进船体平台的左电机编码器(4)、右电机编码器(9)信号参数运算得出对应喷水推进船体平台上喷水推进器各部件的控制指令，并通过信号线进行控制指令传输。

8.根据权利要求7所述的喷水推进艇，其特征在于：所述船载嵌入式处理器(12)采用STM32芯片，搭载中央处理系统，其将手柄终端传来的控制信号处理得到船艇所需运动状态下所对应的喷水推进器的航行姿态、航速、主机转速、喷嘴转角和倒车斗收放情况6个参数，使船体能依照手柄终端的运动方向和运动幅度作相应的船体运动。