CN105730647A - 船舶航速控制方法、船舶倾角检测装置及船舶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶航速控制方法、船舶倾角检测装置及以该船舶倾角检测装置构建的船舶，属于船舶自动控制技术领域。其中船舶航速控制方法包括船舶倾角检测步骤、浪级判定步骤及航速调整步骤。船舶倾角检测步骤包括采集船舶在航行过程中的横倾角度与纵倾角度。浪级判定步骤包括当船舶倾角达到预定阈值时，判定当前浪级为该预定阈值所对应的浪级。航速调整步骤包括将船舶航速调整至当前浪级所对应的最大允许航速以下。该控制方法在能有效提高船舶航行的安全性。

Description

船舶航速控制方法、船舶倾角检测装置及船舶

技术领域

本发明涉及船舶自动控制技术领域，具体地说，涉及一种船舶航速的控制方法，对船体倾角进行检测的船舶倾角检测装置及以该船舶倾角检测装置构建的船舶。

背景技术

自动控制技术在船舶领域的应用越来越广泛，比如，公开号为CN101113902A的专利文献公开了一种基于GPS的船舶航向输出器，公开号为CN1800781A的专利文献公开了的一种航迹自动舵控制系统及其方法。

但是，现有船舶自动控制技术主要集中在自动导航、通讯、现场视像及遥控操作等方面，而对于实际海况中船舶航速的控制较少。

实际海况环境中，海面时而风平浪静，时而波涛汹涌，在保证船舶航行安全的前提下，为使船舶以最短的时间到达目的地，航行过程中需根据实际海况对航速作出调整，尤其是小型快艇，艇体轻、航速快，在不同海况下航速的快慢控制调整就显得尤为重要，否则在大浪时会导致翻船，而在小浪时无法达到最佳航速。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种对船舶航速进行控制的方法；

本发明的另一目的是提供一种可用于上述控制方法中对船舶倾角进行检测的船舶倾角检测装置；

本发明的再一目的是提供一种以上述船舶倾角检测装置构建的船舶。

为了实现上述主要目的，本发明提供的船舶航速控制方法包括船舶倾角检测步骤、浪级判定步骤及航速调整步骤。船舶倾角检测步骤包括采集船舶在航行过程中的横倾角度与纵倾角度。浪级判定步骤包括当船舶倾角达到预定阈值时，判定当前浪级为该预定阈值所对应的浪级。航速调整步骤包括将航速调整至当前浪级所对应的最大允许航速以下。

由以上方案可见，通过船舶倾角检测步骤获得船舶航行过程中的倾角数据，并通过浪级判定步骤根据获得倾角数据判定当前海况中的浪级，以该浪级所对应的船舶最大允许航速为参照，通过航速调整步骤将船舶航速调整至该最大允许航速以下，从而确保船舶能够根据当前海况浪级的大小进行调整航速，有效地确保船舶航行的安全性。

具体的方案为在浪级判定步骤中，船舶倾角达到预定阈值时是指：当横倾角度持续超过第一预定阈值的时间达到第一预定时长或在预定时长内超过第二预定阈值的次数达到第一预定数值时，或，当纵倾角度持续超过第三预定阈值的时间达到第二预定时长或在预定时长内超过第四预定阈值的次数达到第二预定数值时。该判定方法分别考虑了来自船舶横倾与纵倾对船舶航行安全的影响，有效地确保船舶的航行安全。

优选的方案为在船速调整步骤中，将航速调整至当前浪级所对应的最大允许航速。在确保航行安全的前提下，以最短的时间达到目的地。

为了实现上述另一目的，本发明提供的船舶倾角检测装置包括支撑架、摆臂、感应器及转换器。摆臂一端通过铰轴与支撑架铰接。感应器用于感应船舶倾角，并驱动摆臂相对支撑架绕铰轴旋转。转换器用于将摆臂相对支撑架绕铰轴的摆角转换为可测量的物理量。

由以上方案可见，由于该倾角检测装置为一机械式结构，受外部环境因素的影响较小。

一个具体的方案为感应器包括液体池及位于该液体池内的浮球，浮球与摆臂的另一端固定连接。通过利用浮球与液面的作用及液面的趋水平性，对船舶倾角进行感应，其结构简单且有效。

另一个具体的方案为感应器为一与摆臂的另一端固定连接的重力锤。通过利用重力锤的重力沿垂直水平面方向布置的特性，将摆臂驱动动至与水平面为垂直的状态，以对船舶倾角进行感应，结构简单且有效。

一个优选的方案为转换器为一旋转变阻器，该旋转变阻器的滑片与摆臂固定连接，旋转变阻器的弧形电阻片与支撑架固定连接。转换器用于将转角变化转换成可检测物理量电阻值的变化，便于进行检测，结构简单且有效。

另一个优选的方案为转换器包括磁体及磁传感器，磁体与磁传感器中的一个与摆臂固定连接，另一个与支撑架固定连接。转换器用于将转角变化转换成可检测物理量电学量的变化，便于进行检测，结构简单有效。

为了实现上述再一目的，本发明提供的船舶航速控制系统包括控制器、船舶倾角检测装置及船舶动力系统。控制器向船舶动力系统输出航速调整信号。其中，船舶倾角检测装置为上述任一技术方案所描述的船舶倾角检测装置。

具体的方案为倾角检测单元的数量为两个，一个为横倾角检测单元，另一个为纵倾角检测单元；横倾角检测单元向控制器输出横倾角检测信号，纵倾角检测单元向控制器输出纵倾角检测信号。纵倾角检测单元的摆臂相对支撑架绕铰轴的摆动面与船舶船体的中纵剖面共面。横倾角检测单元的摆臂相对支撑架绕铰轴的摆动面与船舶船体的横剖面相平行。

附图说明

图1为本发明船舶第一实施例中船体与纵倾角检测单元的结构示意图；

图2为本发明船舶第一实施例中船体与横倾角检测单元的结构示意图；

图3为本发明船舶第一实施例中纵倾角检测单元的工作原理示意图；

图4为对本发明船舶第一实施例的航速进行控制的方法流程图；

图5为本发明船舶第二实施例中船体与纵倾角检测单元的结构示意图；

图6为本发明船舶第二实施例中船体与横倾角检测单元的结构示意图。

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明主要是对船舶的航速控制方法及船舶倾角检测装置进行改进，以提高船舶航行的安全，船舶其他部分完全可以根据现有船舶结构进行设计。

以下各实施例主要针对本发明的船舶，由于本发明船舶采用了本发明的船舶倾角检测装置及船舶航速控制方法，在船舶实施例的说明中已包含对船舶倾角检测装置与船舶航速控制方法实施例的说明。

具体实施方式

船舶第一实施例

船舶的船体上安装有控制器、船舶倾角检测装置及船舶动力系统，船舶倾角检测装置向控制器输出检测到的船体纵倾角度与横倾角度，控制器根据检测到的横倾角度与纵倾角度进行判断，并向船舶动力系统输出航速调整信号。

船舶倾角检测装置由纵倾角检测单元与横倾角检测单元组成。

参见图1，纵倾角检测单元由水池11、纵倾角浮球12、纵倾角摆臂13、支撑架14、纵倾角转换器15及盛装于水池11内的水110组成。

纵倾角浮球12固定在纵倾角摆臂13的自由端上，纵倾角摆臂13的固定端通过铰轴铰接在支撑架14上，且纵倾角摆臂13相对支撑架14绕铰轴的摆动面与船体10的中纵剖面共面或相互平行。

纵倾角浮球12、水池11及盛装于水池11内的水110一起构成本实施例中纵倾角检测单元的感应器。

参见图2，横倾角检测单元由水池11、支撑架14、横倾角浮球16、横倾角摆臂17、横倾角转换器18及盛装于水池11内的水110组成。

横倾角浮球16固定在横倾角摆臂17的自由端上，横倾角摆臂17的固定端通过铰轴铰接在支撑架14上，且横倾角摆臂17相对支撑架14绕铰轴的摆动面与船体10的横剖面相互平行。

横倾角浮球16、水池11及盛装于水池11内的水110一起构成本实施例中横倾角检测单元的感应器。

参见图1及图2，水池11设于船体10上，其关于船体10的中纵剖面对称。支撑架14固定在水池11底面的中央位置处。

参见图3，纵倾角转换器15为一旋转式变阻器，由滑片151、弧形电阻片152及两条连接导线153构成，滑片151于铰轴处与纵倾角摆臂13的固定端固定连接，一根导线153的一端与弧形电阻片152的校准点处电连接，另一根导线153为与滑片151固定端电连接，当船体10正浮时，水池11内的水面处于水平状态，此时滑片151与电阻片152在校准点处接触，此时两根导线153之间的电阻值定为初值，在倾角检测过程中，将检测到两根导线153之间的电阻值减去初值，输出用于反映当前纵倾角摆臂13相对支撑架绕铰轴所产生的摆角大小。

在船舶1的航行过程中，随着船舶纵倾角产生变化，由于水池11内的水面具有趋于水平的特性，通过纵倾角浮球12随水面保持在水平面位置，从而驱动纵倾角摆臂13相对支撑架绕铰轴旋转，即纵倾角摆臂13相对支撑架绕铰轴旋转产生的摆角对应于船体10纵倾角度。通过纵倾角摆臂13带动滑片151在弧形电阻片152上滑动，从而改变两根导线153之间的电阻值，控制器根据检测两根导线153之间电阻值的变化，推算出纵倾角浮球12随水面波动产生的位置变化，进而推算出船体10在海面上的纵倾角变化情况。

横倾角检测单元的结构与纵倾角检测单元的结构及工作原理相同，在此不再赘述。

参见图4，对船舶1的航速进行控制的方法由倾角检测步骤S1、浪级判定步骤S2及航速调整步骤S3构成。

倾角检测步骤S1，通过纵倾角检测单元收集船舶1在航行过程中的实时纵倾角度，及通过横倾角检测单元收集船舶在航行过程中的实时横倾角度。

在该步骤中，控制器通过检测流过纵倾角转换器与横倾角转换器的电流值I，推算两根输出导线之间的电阻值R的变化，进而推算出船体10当前的横倾角度E与纵倾角度F。

浪级判定步骤S2，根据倾角检测步骤S1收集到的船舶1在航行过程中的倾角数据，计算出以下数据：横倾角度E持续超过第一预定阈值G₁的时间T₁，横倾角度E在预定时长T的分析时段内超过第二阈值G₂的次数为H₁，纵倾角度F持续超过第三预定阈值G₃的时间T₂，及纵倾角度F在预定时长T的分析时段内超过第四阈值G₄的次数为H₂。

当横倾角度E持续超过第一预定阈值G₁的时间T₁达到第一预定时长A或在预定时长T内超过第二预定阈值G₂的次数H₁达到第一预定数值B时，或，当纵倾角度F持续超过第三预定阈值G₃的时间T₂达到第二预定时长C或在预定时长T内超过第四预定阈值G₄的次数H₂达到第二预定数值D时，判定当前浪级为第一预定时长A、第一预定数值B、第二预定时长C及第二预定数值D所对应的浪级。

如表1所示，为第一预定时长A、第一预定数值B、第二预定时长C、第二预定数值D及船舶1最大允许航速V与浪级的对照表：

表1浪级条件及最大允许航速对应表

当前浪级的判定过程如下：

（1）只要倾角数据满足以下四个条件中的至少一个，就判定当前浪级为小浪，此时，船舶1最大允许航速为V₁：（a）横倾角度E持续超过第一预定阈值G₁的时间T₁达到第一预定时长A₁，（b）横倾角度E在预定时长T内超过第二预定阈值G₂的次数H₁达到第一预定数值B₁，（c）纵倾角度F持续超过第三预定阈值G₃的时间T₂达到第二预定时长C₁,（d）在预定时长T内超过第四预定阈值G₄的次数H₂达到第二预定数值D₁。

（2）只要倾角数据满足以下四个条件中的至少一个，就判定当前浪级为轻浪，此时，船舶1最大允许航速为V₂：（a）横倾角度E持续超过第一预定阈值G₁的时间T₁达到第一预定时长A₂，（b）横倾角度E在预定时长T内超过第二预定阈值G₂的次数H₁达到第一预定数值B₂，（c）纵倾角度F持续超过第三预定阈值G₃的时间T₂达到第二预定时长C₂,（d）在预定时长T内超过第四预定阈值G₄的次数H₂达到第二预定数值D₂。

（3）只要倾角数据满足以下四个条件中的至少一个，就判定当前浪级为中浪，此时，船舶1最大允许航速为V₃：（a）横倾角度E持续超过第一预定阈值G₁的时间T₁达到第一预定时长A₃，（b）横倾角度E在预定时长T内超过第二预定阈值G₂的次数H₁达到第一预定数值B₃，（c）纵倾角度F持续超过第三预定阈值G₃的时间T₂达到第二预定时长C₃,（d）在预定时长T内超过第四预定阈值G₄的次数H₂达到第二预定数值D₃。

（4）只要倾角数据满足以下四个条件中的至少一个，就判定当前浪级为大浪，此时，船舶1最大允许航速为V₄：（a）横倾角度E持续超过第一预定阈值G₁的时间T₁达到第一预定时长A₄，（b）横倾角度E在预定时长T内超过第二预定阈值G₂的次数H₁达到第一预定数值B₄，（c）纵倾角度F持续超过第三预定阈值G₃的时间T₂达到第二预定时长C₄,（d）在预定时长T内超过第四预定阈值G₄的次数H₂达到第二预定数值D₄。

航速调整步骤S3，控制器根据浪级判定步骤S2中确定船舶1在当前浪级下的最大允许航速，并将船舶1的航速调整至该最大允许航速以下。

为了能够以最短的时间到达目的地，可将船舶当前航速与最大允许航速进比较，当前船速小于最大允许航速时，控制器控制船舶动力系统的油门以提高航速至最大允许航速；当前船速大于最大允许航速时，控制器控制船舶动力系统的油门以降低航速至最大预先航速。其中，在本发明中，“将航速调整至当前浪级所对应的最大允许航速”被定为“控制器向船舶动力系统输出将航速调整至最大允许航速的指令，并且动力系统中轮机也执行了该调速指令”。

船舶航速的调整过程为，控制器通过控制伺服机构调整船舶动力系统的输出功率，进而改变推进器的推力，如推力的大小及方向。

由于倾角监控装置为一机械式结构，结构简单且性能稳定，受外界环境因素影响小；此外，该倾角监控装置始终以水平面为参考基准，有效减少计算量，且结果准确性高。

船舶第二实施例

作为对本发明船舶第二实施例的说明，以下仅对与船舶第一实施例的不同之处进行说明。

略去水池及盛装于水池内的水。

参见图5及图6，采用纵倾角重力锤22与横倾角重力锤26对应地替代纵倾角浮球与横倾角浮球。纵倾角重力锤22与横倾角重力锤26构成本实施例的感应器。

纵倾角转换器由固定在纵倾角重力锤22上的磁块及固定在支撑架24上的磁传感器252构成，纵倾角重力锤22与纵倾角摆臂23的摆动面平行于船舶2的船体20的中纵剖面，当船体20正浮时，纵倾角摆臂23在纵倾角重力锤22的作用下沿垂向布置，此时磁传感器252位于纵倾角重力锤22上磁块的正下方，并以该点为参照点，即纵倾角重力锤22在重力的作用下，驱动纵倾角摆臂23相对支撑架24绕铰轴旋转，并使纵倾角摆臂23趋至与水平面成90度的位置。

横倾角转换器由固定在横倾角重力锤26上的磁块及固定在支撑架24上的磁传感器282构成，横倾角重力锤26与横倾角摆臂27的摆动面平行于船舶2的船体20的横剖面，当船体20正浮时，横倾角摆臂27在横倾角重力锤26的作用下沿垂向布置，此时磁传感器282位于横倾角重力锤26上磁块的正下方，并以该点为参照点，即横倾角重力锤26在重力的作用下，驱动横倾角摆臂27相对支撑架24绕铰轴旋转，并使横倾角摆臂27趋至与水平面成90度的位置。

在对船舶2进行横倾角度与纵倾角度的检测过程中，磁传感器252及磁传感器282向控制器输出它们检测到实时磁场强度值，相对参照点处磁场强度，实时检测到磁场强度值的变化量大小代表船倾角度的大小。

在船舶航速控制方法中，用磁场强度变化值的大小替代船舶控制方法第一实施例中的电阻值变化大小对船舶航速进行控制，在此不再赘述。

在上述各实施例中，对于不同船型、吨位的船舶，不同浪级所对应的第一预定时长A、第一预定数值B、第二预定时长C、第二预定数值D及船舶的最大允许航速V，需根据实际情况进行测定。

本发明的主要构思是通过对船舶在航行过程中横倾角度与纵倾角度进行检测，并根据检测到的船倾角度情况判定当前海面浪级，并根据不同浪级所对应船舶的最大允许航速对船舶航速进行调整，根据本构思，倾角检测装置的结构及其在船体上的安装位置还有多种显而易见的变化；根据倾角数据判定浪级的方法还有多种显而易见的变化，比如，通过对横倾角度与纵倾角度赋予不同权重并求二者的加权平均值作为判断条件，该种方法综合考虑了横倾角度与纵倾角角度对船舶航行安全的影响。

Claims (10)

1.船舶航速控制方法，包括以下步骤：

船舶倾角检测步骤，采集船舶在航行过程中的横倾角度与纵倾角度；

浪级判定步骤，当船舶倾角达到预定阈值时，判定当前浪级为该预定阈值所对应的浪级；

航速调整步骤，将航速调整至当前浪级所对应的最大允许航速以下。

2.根据权利要求1所述船舶航速控制方法，其特征在于：

在浪级判定步骤中，船舶倾角达到预定阈值时是指：

当横倾角度持续超过第一预定阈值的时间达到第一预定时长或在预定时长内超过第二预定阈值的次数达到第一预定数值时，或，当纵倾角度持续超过第三预定阈值的时间达到第二预定时长或在预定时长内超过第四预定阈值的次数达到第二预定数值时。

3.根据权利要求1或2所述船舶航速控制方法，其特征在于：

在航速调整步骤中，将航速调整至当前浪级所对应的最大允许航速。

4.船舶倾角检测装置，包括倾角检测单元；

其特征在于：

所述倾角检测单元包括支撑架、摆臂、感应器及转换器；

所述摆臂的一端通过铰轴与所述支撑架铰接；

所述感应器用于感应所述船舶倾角，并驱动所述摆臂相对所述支撑架绕所述铰轴旋转；

所述转换器用于将所述摆臂相对所述支撑架绕所述铰轴的摆角转换为可测量物理量。

5.根据权利要求4所述船舶倾角检测装置，其特征在于：

所述感应器包括液体池及位于所述液体池内的浮球；

所述浮球与所述摆臂的另一端固定连接。

6.根据权利要求4所述船舶倾角检测装置，其特征在于：

所述感应器为一重力锤，所述重力锤与所述摆臂的另一端固定连接。

7.根据权利要求4至6任一项所述船舶倾角检测装置，其特征在于：

所述转换器为一旋转变阻器，所述旋转变阻器的滑片与所述摆臂固定连接，所述旋转变阻器的弧形电阻片与所述支撑架固定连接。

8.根据权利要求4至6任一项所述船舶倾角检测装置，其特征在于：

所述转换器包括磁体及磁传感器，所述磁体与所述磁传感器中的一个与所述摆臂固定连接，另一个与所述支撑架固定连接。

9.船舶，包括船体及安装在所述船体上的控制器、船舶倾角检测装置与船舶动力系统；

所述控制器向所述船舶动力系统输出航速调整信号：

其特征在于：

所述船舶倾角检测装置为所述权利要求4至8任一项所述船舶倾角检测装置。

10.根据权利要求9所述船舶，其特征在于：

所述倾角检测单元的数量为两个，一个为横倾角检测单元，另一个为纵倾角检测单元；

所述横倾角检测单元向所述控制器输出横倾角检测信号，所述纵倾角检测单元向所述控制器输出纵倾角检测信号；

所述纵倾角检测单元的摆臂相对支撑架绕铰轴的摆动面与所述船舶的船体的中纵剖面共面；

所述横倾角检测单元的摆臂相对支撑架绕铰轴的摆动面与所述船体的横剖面相平行。