CN104925242B - 无人艇舷外机控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无人艇舷外机控制装置及控制方法，该装置包括固定于无人艇尾部的舷外机，舷外机的控制机构通过控制软轴与电动推杆连接，舷外机的点/熄火控制电路通过舷外机点/熄火控制电缆与电压输出模块连接，电动推杆的下方平行设置有滑动电位器，电动推杆的推杆末端与滑动电位器的滑杆末端紧固连接，电动推杆的电源线、滑动电位器的电压输出线和电压输出模块的电压输出线分别与信号控制电路连接，电压输出模块的信号输入端与船载嵌入式控制器连接。本发明避免了液压控制装置在无人艇动力驱动中的应用困难和不足，结合了机械式控制装置的优点，采用电动推杆结合机械软轴的方式，保证了控制精度和可靠性，实现了油门、舵角和档位的自动控制。
Description
技术领域
本发明属于船舶动力控制技术领域，具体地指无人艇舷外机控制装置及控制方法。
背景技术
无人水面航行器(Unmanned Surface Vessel，简称USV)，是一种无人操作的水面船只，小型USV也称为无人艇。无人艇动力平台的关键技术之一是在小型艇有限的动力源和舱室空间约束下，实现对航速和航向控制机构的精确与可靠控制。
目前，水面船只的航速和航向自动控制装置主要采用液压系统来实现。具体的方式是通过液压泵的持续工作，为液压系统建立稳定的压力，由电磁阀接受控制系统的信号，产生动作并改变液压回路中液压油的通断状态和流动方向，通过液压油的压力能驱动控制通道的执行机构，从而改变船体的航速和航向。这种控制装置的核心在于其液压系统，而液压系统存在装置复杂，需要设置独立的液压动力源，占用空间大的突出问题，并且其控制精度对于小质量低运动惯性的小型艇来讲，相对较差。同时，在无人艇动力平台中采用液压控制装置也增加了控制系统的设计难度。
此外，在有人操纵的小型艇航速和航向控制中，还广泛使用机械式的手动控制装置，其实现方式是船员手动控制操纵杆，提供驱动力和控制信号，由机械式的连杆装置控制主机的油门，档位和舵装置的偏转角，从而改变船体的航速和航向。这种控制装置的优点在于结构简单，响应快，可靠性高，设计难度低，缺点是驱动力较小而且不稳定，油门和舵角控制精度差，控制反馈和调整机制依赖于使用人员的操作经验，不能实现自动控制。
发明内容
本发明的主要目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简洁，稳定高效，实现了油门、舵角和档位自动控制的无人艇舷外机控制装置及控制方法，使其能保证控制精度和可靠性，避免液压控制装置在无人艇动力驱动中的应用困难和不足。
为实现上述目的，本发明所设计的无人艇舷外机控制装置，包括固定于无人艇尾部的舷外机，其特征在于，所述舷外机的控制机构通过控制软轴与电动推杆连接，所述舷外机的点/熄火控制电路通过舷外机点/熄火控制电缆与电压输出模块连接，所述电动推杆的下方平行设置有滑动电位器，所述电动推杆的推杆末端与滑动电位器的滑杆末端紧固连接，所述电压输出模块的电压输出线、滑动电位器的电压输出线分别与信号控制电路的两个输入端连接，所述信号控制电路的输出端与电动推杆的电源线连接，所述电压输出模块的信号输入端与船载嵌入式控制器连接。
进一步地，所述控制软轴包括舷外机油门控制软轴、舷外机舵角控制软轴和舷外机档位控制软轴，所述电动推杆、滑动电位器和信号控制电路均为三个，所述舷外机的油门、方向和档位控制机构分别通过舷外机油门控制软轴、舷外机舵角控制软轴和舷外机档位控制软轴与三套电动推杆、滑动电位器和信号控制电路连接。设计高精度的三路控制支路进行实际油门、档位和舵角位置的反馈，比较和自动控制，保证了控制精度，响应时间短。
更进一步地，所述信号控制电路包括电压继电器、比较电源、固定电阻和电桥，所述电桥包括左中右三对接口端，由左至右分别连接电压输出模块的一对电压输出端、电压继电器的电压输入端和滑动电位器的阻值输出端，所述电压继电器的输出端与电动推杆的电源线连接，所述比较电源和固定电阻组成的支路与滑动电位器并联。滑动电位器通过电阻值的变化来改变从比较电源得到的分压电平，该电压加载在电桥右端，电压输出模块输出的设定电压加载在电桥左端，当右端电压低于左端电压时，电桥中部的电压继电器获得电压，闭合电动推杆的正向电路，推杆正向运动，其电位器阻值和分压电平随之增大；当右端电压高于左端电压时，电桥中部的电压继电器获得电压，闭合电动推杆的反向电路，推杆反向运动，其电位器阻值和分压电平随之减小；当右端电压和左端电压相等时，电桥中部的电压继电器失去电压，断开电动推杆的电路，推杆停止运动。
更进一步地，所述电动推杆为内螺纹式电动推杆，以实现足够的推力强度，且距离控制精确。
一种应用于上述无人艇舷外机控制装置的控制方法，其特殊之处在于，是根据所述船载嵌入式控制器输出的控制信号控制电动推杆运动，从而带动与所述电动推杆连接的控制软轴推动舷外机的控制机构，实现舷外机的自动控制的过程，具体包括如下步骤：
1)启动舷外机，所述船载嵌入式控制器向电压输出模块输出控制信号，所述电压输出模块将控制信号转换为设定电压，并输出至信号控制电路；
2)所述信号控制电路根据设定电压控制电动推杆产生位移，所述滑动电位器在电动推杆的带动下同时产生位移；
3)所述滑动电位器的位移在信号控制电路内部产生反馈电压；
4)当所述反馈电压与设定电压相等时，所述信号控制电路控制电动推杆停止运动并自锁，当所述反馈电压大于设定电压时，所述信号控制电路控制电动推杆反向运动，所述滑动电位器在电动推杆的带动下同时产生反向位移，当所述反馈电压小于设定电压时，所述信号控制电路控制电动推杆正向运动，所述滑动电位器在电动推杆的带动下同时产生正向位移；
5)重复步骤3)、4)，直至所述反馈电压等于设定电压。
优选地，所述船载嵌入式控制器输出的控制信号包括油门自动控制信号、舵角自动控制信号和档位控制信号。
优选地，所述船载嵌入式控制器输出的控制信号还包括舷外机启动停机控制信号，所述船载嵌入式控制器向电压输出模块输出舷外机启动停机控制信号，所述电压输出模块将舷外机启动停机控制信号转换为启动电压或者停机电压，并将启动电压或者停机电压通过舷外机点/熄火控制电缆发送至舷外机的点/熄火控制电路，从而实现舷外机的启动停机控制。
最佳地，所述船载嵌入式控制器输出的档位控制信号为正车档位控制信号、空车档位控制信号和倒车档位控制信号三个离散控制信号，所述电压输出模块相应产生高、中、低三个设定电压。
本发明与现有技术相比其优点在于：
1.控制装置原理清晰，结构简洁，占用空间小，元部件工作稳定可靠，使用寿命长。整个系统稳定高效，避免了液压控制装置和机械式手动控制装置在USV应用中的不足。
2.使用高精度电动推杆驱动油门、档位和舵角控制通道中的控制软轴，机械间隙小，定位精度高。
3.设计高精度的信号控制电路进行实际油门、档位和舵角位置的反馈，比较和自动控制，保证了控制精度，响应时间短。
4.控制装置和船载电子元器件可以由统一的电源供电，避免了多种能量形式带来的复杂性和低可靠性。
5.控制装置具有较好的通用型和适用性，不仅适用于无人艇舷外机的航速和航向控制，还可用于喷水推进装置，舵装置等不同形式航速航向控制装置的自动控制中。
附图说明
图1本发明装置结构示意图；
图2本发明电路结构示意图。
其中：无人艇尾部的舷外机1，舷外机油门控制软轴2，舷外机舵角控制软轴3，舷外机档位控制软轴4，舷外机点/熄火控制电缆5，电动推杆6，滑动电位器7，信号控制电路8，电压继电器81，比较电源82，固定电阻83，电桥84，电压输出模块9，船载嵌入式控制器10。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。
无人艇舷外机控制装置，包括固定于无人艇尾部的舷外机1，舷外机1的控制机构通过控制软轴与电动推杆6连接。电动推杆6为内螺纹式电动推杆。舷外机1的点/熄火控制电路通过舷外机点/熄火控制电缆5与电压输出模块9连接，电动推杆的下方平行设置有滑动电位器7，电动推杆6的推杆末端与滑动电位器7的滑杆末端紧固连接，电动推杆6的电源线、滑动电位器7的电压输出线和电压输出模块9的电压输出线分别与信号控制电路8连接，电压输出模块9的信号输入端与船载嵌入式控制器10连接。
控制软轴包括舷外机油门控制软轴2、舷外机舵角控制软轴3和舷外机档位控制软轴4，电动推杆6、滑动电位器7和信号控制电路8均为三个，舷外机1的油门、方向和档位控制机构分别通过舷外机油门控制软轴2、舷外机舵角控制软轴3和舷外机档位控制软轴4与三套电动推杆6、滑动电位器7和信号控制电路8连接。
信号控制电路8包括用于控制电动推杆6电源线的电压继电器81、用于供给滑动电位器7分压的比较电源82和固定电阻83、用于比较电压的电桥84，电桥84包括左中右三对接口端，由左至右分别连接电压输出模块9的一对电压输出端、电压继电器81的电压输入端和滑动电位器7的阻值输出端，比较电源82和固定电阻83组成的支路与滑动电位器7并联，用于将滑动电位器7的阻值输出转换为电压输出。
如图2所示，信号控制电路8的工作原理是：直线滑动电位器7通过电阻值的变化来改变从比较电源82得到的分压电平，该电压加载在电桥右端，电压输出模块9输出的设定电压加载在电桥左端，当右端电压低于左端电压时，电桥中部的电压继电器81获得电压，闭合电动推杆6的正向电路，推杆正向运动，其电位器阻值和分压电平随之增大；当右端电压高于左端电压时，电桥中部的电压继电器81获得电压，闭合电动推杆6的反向电路，推杆反向运动，其电位器阻值和分压电平随之减小；当右端电压和左端电压相等时，电桥中部的电压继电器81失去电压，断开电动推杆6的电路，推杆停止运动。
应用于上述无人艇舷外机控制装置的控制方法，具体步骤包括：
1)启动舷外机1，船载嵌入式控制器10向电压输出模块9输出控制信号，电压输出模块9将控制信号转换为设定电压，并输出至信号控制电路8；
2)信号控制电路8根据设定电压控制电动推杆6产生位移，滑动电位器7在电动推杆6的带动下同时产生位移；
3)滑动电位器7的位移在信号控制电路8内部产生反馈电压；
4))当反馈电压与设定电压相等时，信号控制电路8控制电动推杆6停止运动并自锁，当反馈电压大于设定电压时，信号控制电路8控制电动推杆6反向运动，滑动电位器7在电动推杆6的带动下同时产生反向位移，当反馈电压小于设定电压时，信号控制电路8控制电动推杆6正向运动，滑动电位器7在电动推杆6的带动下同时产生正向位移；
5)重复步骤3、4，直至反馈电压等于设定电压。
本发明实现舷外机起动停机控制、油门自动控制、舵角自动控制和档位自动控制的步骤包括：
(1)舷外机起动停机控制
控制装置在起动舷外机时，船载嵌入式控制器10输出数字式起动信号，由电压输出模块9转换为起动电平，通过舷外机点/熄火控制电缆5接通起动电路，将舷外机1起动。控制装置在停止舷外机时，船载嵌入式控制器10输出停机信号，由电压输出模块9转换为停机电压，通过舷外机点/熄火控制电缆5断开油路，将舷外机1熄火。
(2)油门自动控制
控制装置在进行舷外机油门自动控制时，船载嵌入式控制器10经过控制算法计算，输出油门位置设定值，由电压输出模块9转换为设定电压输出给信号控制电路8。另一方面，直线滑动电位器7在跟随电动推杆作直线运动时，其电阻值线性变化，从比较电源82相应地得到不同的分压，这个电压可以作为电动推杆实际位移量的反馈值，该电压也输出给信号控制电路8。
在信号控制电路8中，如果从电压输出模块9输入的设定电压和从比较电源82输入的直线滑动电位器7反馈电压两者一样高时，可以表示电动推杆6的实际位置达到设定位置，电动推杆6不产生控制动作。电压继电器81断开电动推杆6的控制电路，推杆停止运动并自锁，其所连接的舷外机油门控制软轴2也定位至给定位置，舷外机1达到所设定的油门，船体达到相应的航速。
如果从电压输出模块9输入的设定电压高于从比较电源82输入的反馈电压，则认为电动推杆的实际位置未达到设定位置，电压继电器81闭合电动推杆6的正向电路，电动推杆6开始精确地正向匀速直线运动，向前伸出并带动直线滑动电位器7的滑杆同步运动，反馈电压同步升高。同时电动推杆6所连接的舷外机油门控制软轴2推动舷外机油门变大，船体航速增大。
如果从电压输出模块9输入的设定电压低于从比较电源82输入的反馈电压，则认为电动推杆的实际位置超过了设定位置，电压继电器81闭合电动推杆6的反向电路，推杆开始反向匀速直线运动，向后缩回并带动直线滑动电位器7的滑杆同步运动，反馈电压同步降低。同时电动推杆6所连接的舷外机油门控制软轴2拉动舷外机油门变小，船体航速减小。
(3)舵角自动控制
控制装置在进行舷外机舵角自动控制时，船载嵌入式控制器10经过控制算法计算，输出舵角位置设定值，由电压输出模块9转换为舵角设定电压输出给信号控制电路8。另一方面，直线滑动电位器7从比较电源82得到分压电压，这个电压作为电动推杆实际位移量和舵角的反馈值，也输出给信号控制电路8。
在信号控制电路8中，如果从电压输出模块9输入的舵角设定电压高于从比较电源82输入的舵角反馈电压，则认为舵角的实际位置未达到设定位置，电压继电器81闭合电动推杆6的正向电路，电动推杆6开始精确地正向匀速直线运动，向前伸出并带动直线滑动电位器7的滑杆同步运动，反馈电压同步升高。同时电动推杆6所连接的舷外机舵角控制软轴3推动舷外机舵角正向摆动。
如果从电压输出模块9输入的舵角设定电压低于从比较电源82输入的舵角反馈电压，则认为舵角的实际位置超过了设定位置，电压继电器81闭合电动推杆6的反向电路，电动推杆6开始反向匀速直线运动，向后缩回并带动直线滑动电位器7的滑杆同步运动，反馈电压同步降低。同时电动推杆6所连接的舷外机舵角控制软轴3拉动舷外机舵角负向摆动。
如果从电压输出模块9输入的舵角设定电压和从比较电源82输入的舵角反馈电压两者达到一致，则表示舵角的实际位置达到设定位置，电动推杆6停止动作。电压继电器81断开电动推杆6的控制电路，推杆停止运动并自锁，其所连接的舷外机舵角控制软轴3也定位至给定位置，舷外机1达到所设定的舵角。
(4)档位自动控制
控制装置在进行舷外机正、反向档位自动控制时，船载嵌入式控制器10输出正车、空车和倒车三个档位的离散控制信号，由电压输出模块9转换为档位设定电压输出给信号控制电路8。例如，设置正车、空车和倒车三个档位的设定电压分别为-3.3v，0v和+3.3v。另一方面，直线滑动电位器7从比较电源82得到分压电压，这个电压作为档位的反馈值，也输出给信号控制电路8。
在信号控制电路8中，如果从电压输出模块9输入的档位设定电压高于从比较电源82输入的档位反馈电压，则认为档位未达到设定位置，电压继电器81闭合电动推杆6的正向电路，电动推杆6开始正向运动，向前伸出并带动滑动电位器7的滑杆同步运动，反馈电压同步升高。同时电动推杆6所连接的舷外机档位控制软轴4推动舷外机档位正向变化。
如果从电压输出模块9输入的档位设定电压低于从比较电源82输入的档位反馈电压，也认为档位未达到设定位置，电压继电器81闭合电动推杆6的反向电路，电动推杆6开始反向匀速直线运动，向后缩回并带动直线滑动电位器7的滑杆同步运动，反馈电压同步降低。同时电动推杆6所连接的舷外机档位控制软轴4拉动舷外机档位负向变化。
如果从电压输出模块9输入的档位设定电压和从比较电源82输入的档位反馈电压两者达到一致，则表示档位的实际位置达到设定位置，电动推杆6停止动作。电压继电器81断开电动推杆6的控制电路，电动推杆6停止运动并自锁，其所连接的舷外机档位控制软轴4也定位至给定位置，舷外机1达到所设定的档位。
Claims (8)
1.一种无人艇舷外机控制装置，包括固定于无人艇尾部的舷外机(1)，其特征在于，所述舷外机(1)的控制机构通过控制软轴与电动推杆(6)连接，所述舷外机(1)的点/熄火控制电路通过舷外机点/熄火控制电缆(5)与电压输出模块(9)连接，所述电动推杆的下方平行设置有滑动电位器(7)，所述电动推杆(6)的推杆末端与滑动电位器(7)的滑杆末端紧固连接，所述电压输出模块(9)的电压输出线、滑动电位器(7)的电压输出线分别与信号控制电路(8)的两个输入端连接，所述信号控制电路(8)的输出端与电动推杆(6)的电源线连接，所述电压输出模块(9)的信号输入端与船载嵌入式控制器(10)连接，所述船载嵌入式控制器(10)输出的控制信号控制电动推杆(6)运动，从而带动与所述电动推杆(6)连接的控制软轴推动舷外机(1)的控制机构，实现舷外机(1)的自动控制。
2.根据权利要求1所述的无人艇舷外机控制装置，其特征在于：所述控制软轴包括舷外机油门控制软轴(2)、舷外机舵角控制软轴(3)和舷外机档位控制软轴(4)，所述电动推杆(6)、滑动电位器(7)和信号控制电路(8)均为三个，所述舷外机(1)的油门、方向和档位控制机构分别通过舷外机油门控制软轴(2)、舷外机舵角控制软轴(3)和舷外机档位控制软轴(4)与三套电动推杆(6)、滑动电位器(7)和信号控制电路(8)连接。
3.根据权利要求1所述的无人艇舷外机控制装置，其特征在于：所述信号控制电路(8)包括电压继电器(81)、比较电源(82)、固定电阻(83)和电桥(84)，所述电桥(84)包括左中右三对接口端，由左至右分别连接电压输出模块(9)的一对电压输出端、电压继电器(81)的电压输入端和滑动电位器(7)的阻值输出端，所述电压继电器(81)的输出端与电动推杆(6)的电源线连接，所述比较电源(82)和固定电阻(83)组成的支路与滑动电位器(7)并联。
4.根据权利要求3所述的无人艇舷外机控制装置，其特征在于：所述电动推杆(6)为内螺纹式电动推杆。
5.一种应用于上述权利要求1～4中任一权利要求的无人艇舷外机控制装置的控制方法，其特征在于：是根据所述船载嵌入式控制器(10)输出的控制信号控制电动推杆(6)运动，从而带动与所述电动推杆(6)连接的控制软轴推动舷外机(1)的控制机构，实现舷外机(1)的自动控制的过程，具体包括如下步骤：
1)启动舷外机(1)，所述船载嵌入式控制器(10)向电压输出模块(9)输出控制信号，所述电压输出模块(9)将控制信号转换为设定电压，并输出至信号控制电路(8)；
2)所述信号控制电路(8)根据设定电压控制电动推杆(6)产生位移，所述滑动电位器(7)在电动推杆(6)的带动下同时产生位移；
3)所述滑动电位器(7)的位移在信号控制电路(8)内部产生反馈电压；
4)当所述反馈电压与设定电压相等时，所述信号控制电路(8)控制电动推杆(6)停止运动并自锁，当所述反馈电压大于设定电压时，所述信号控制电路(8)控制电动推杆(6)反向运动，所述滑动电位器(7)在电动推杆(6)的带动下同时产生反向位移，当所述反馈电压小于设定电压时，所述信号控制电路(8)控制电动推杆(6)正向运动，所述滑动电位器(7)在电动推杆(6)的带动下同时产生正向位移；
5)重复步骤3)、4)，直至所述反馈电压等于设定电压。
6.根据权利要求5所述的无人艇舷外机控制装置的控制方法，其特征在于：所述船载嵌入式控制器(10)输出的控制信号包括油门自动控制信号、舵角自动控制信号和档位控制信号。
7.根据权利要求5或者6所述的无人艇舷外机控制装置的控制方法，其特征在于：所述船载嵌入式控制器(10)输出的控制信号还包括舷外机启动停机控制信号，所述船载嵌入式控制器(10)向电压输出模块(9)输出舷外机启动停机控制信号，所述电压输出模块(9)将舷外机启动停机控制信号转换为启动电压或者停机电压，并将启动电压或者停机电压通过舷外机点/熄火控制电缆(5)发送至舷外机(1)的点/熄火控制电路，从而实现舷外机(1)的启动停机控制。
8.根据权利要求6所述的无人艇舷外机控制装置的控制方法，其特征在于：所述船载嵌入式控制器(10)输出的档位控制信号为正车档位控制信号、空车档位控制信号和倒车档位控制信号三个离散控制信号，所述电压输出模块(9)相应产生高、中、低三个设定电压。
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