CN105752308B - 一种吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置 - Google Patents

一种吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，该装置由单手柄操控器、吊舱推进器、侧向推进器、吊舱控制系统组成，其中：单手柄操控器安装在船舶驾控台上，吊舱推进器安装在船舶底部，侧向推进器安装在船艏隧道中，吊舱控制系统装在船舱内部；单手柄操控器通过无线信号和吊舱控制系统连接，吊舱推进器和侧向推进器通过信号线和吊舱控制系统连接。本发明解决了吊舱推进船舶操纵难度大、操控复杂的问题，能够显著提高吊舱推进船舶的机动性，并且具有控制简易、降低能耗等优点。

Description

一种吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置
技术领域
本发明涉及船舶机动操纵的控制装置，特别是一种吊舱推进船舶的机动操纵矢量控制的装置。
背景技术
吊舱推进器是一种悬挂于船舱外部，能在水平面内360°旋转，产生水平任意方向推力的推进器，同时集中了推进装置和操舵装置于一体的功能。理论和实践表明，装备有两套及以上吊舱推进器和侧向推进器的船舶，能够产生360°方向的水平推力，实现斜移、原地回转、绕障碍物转动等多种复杂高机动操控。然而，要实现上述的机动操控需要同步、精准地控制两套吊舱推进器和侧向推进器的转速、转角共6个运动参数。
常规的吊舱推进船舶的驾驶设备由舵轮、电机控制手柄组成。采用常规操纵装置实现斜移、原地回转等复杂机动操纵需要同时控制以上多个驾驶设备，共计6个运动参数，其操纵难度较大，操纵过程复杂、操纵效果不理想，无法充分发挥吊舱推进船舶的机动优越性。
目前，船舶的控制装置正在向着自动化、智能化、高度集成化方向发展，一些主机、舵机、侧向推进器联合同步控制的操作系统已逐渐增加，这也成为了船舶控制领域的一个新的发展趋势。而对于吊舱推进船舶，目前还没有一种合适的控制方式来填补这一领域的空白。
因此，本发明通过单手柄对船舶进行操控，使得船舶能随着手柄操纵方向进行矢量运动，充分挖掘了吊舱推进船舶的机动操纵优越性，降低操纵难度并简化操纵思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，以解决现有吊舱推进船舶驾驶设备操纵复杂、操纵效果不理想等问题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，是由单手柄操控器、吊舱推进器、侧向推进器、吊舱控制系统组成，其中：单手柄操控器安装在船舶驾控台上，吊舱推进器安 装在船舶底部，侧向推进器安装在船艏隧道中，吊舱控制系统装在船舱内部；单手柄操控器通过无线信号和吊舱控制系统连接，吊舱推进器和侧向推进器通过信号线和吊舱控制系统连接。
所述的单手柄操控器，其由底座、密封套筒、手柄摇杆、调整旋钮组成，其中：底座固定在驾驶控制台上；手柄摇杆与底座相连，连接处装有密封套筒；调整旋钮装在手柄摇杆的上端。
所述的手柄摇杆，其输出物理量有方向角、幅度角，其中方向角确定船体的运动方向，幅度角确定船体的运动速度；调整旋钮输出物理量有旋钮角，该旋钮角确定船艏部的航向；以上的3个物理量均为吊舱推进船舶的控制数据。
所述的吊舱推进器悬挂于船舶底部，其由壳体、全回转工作台、吊舱推进器无刷电机、转轴和吊舱推进器螺旋桨组成，其中：壳体的顶端安装能够在0～360°范围旋转的全回转工作台；吊舱推进器无刷电机装在壳体的内部，其通过转轴与吊舱推进器螺旋桨相连。
所述的侧向推进器，悬挂于船首的隧道中，该侧向推进器由壳体、侧向推进器无刷电机、转轴和侧向推进器螺旋桨组成，其中：侧向推进器无刷电机装在壳体的内部，其通过转轴与侧向推进器螺旋桨相连。
所述的吊舱控制系统，主要由MCU、无线传输模块U1，步进电机驱动器、步进电机、直流无刷电机驱动器、直流无刷电机组成，其中：无线接收模块与MCU的输入IO端口连接，步进电机驱动器与MCU的输出IO端口连接，步进电机与步进电机驱动器连接，直流无刷电机驱动器与MCU的输出IO端口连接，直流无刷电机与直流无刷电机驱动器连接。
所述的吊舱控制系统，还设有晶体管阵列U2和电机驱动器U3，其作用一方面是将单片机的输出电流放大以使直流无刷电机工作，另一方面是续流，消耗电机产生的感应电流，防止损坏电路。
所述的MCU采用型号为AT89C51的单片机IC1。
所述的无线传输模块U1采用型号为ESP8266，当其接收到控制数据时，将数据传输到单片机IC1，单片机依据所得数据进行决策。
本发明建立了吊舱推进船舶机动操纵矢量控制的物理模型，以实现船舶矢量控制功能和提高船舶的操纵性，所述物理模型是基于伪逆法的吊舱推进器智能控制算法：
minf(T)＝TTWT /目标函数
s.t.h_1(x)＝U-BT /等式约束
式中：T为推进器推力分配矩阵；W为推进器权值矩阵，表示各个推进器轴向推力的权重系数；U为船体运动矢量矩阵；B为参数配置矩阵；
定义拉格朗日函数：L(a,T)＝TTWT+a(U-BT)，其中a为拉格朗日乘子。
本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：
1.采用单操纵手柄作为控制端，取代传统驾控设备，简化吊舱推进船舶操纵思路，大幅降低了驾驶人员的操纵难度，避免了舵轮与电机控制器的复杂控制，所以，操纵方式简便、一体化程度高、拆装灵活，解决了吊舱推进船舶操纵难度大、操控复杂的问题。
2.通过控制器操纵船体进行平移、斜移、原地回转等复杂的高机动性运动，充分挖掘了吊舱推进船舶的机动优越性，所以，本发明能显著提高吊舱推进船舶的机动性。
3.提供了包括基于伪逆法的吊舱推进器智能控制算法，可得到同一运动模式下最低能耗的推进器搭配方案，避免了因人工操纵的不精确导致的能量损耗，所以，本发明控制简易、起到降低能耗作用。
附图说明
图1是单手柄操控器示意图。
图2是吊舱推进器示意图。
图3是侧向推进器示意图。
图4是吊舱控制系统示意图。
图5是斜移运动推进器推力变化示意图。
图6是斜移运动推进器转角变化示意图。
图7是扇形运动推进器转角变化示意图。
图8是扇形运动推进器转角变化示意图。
图中：1.底座；2.密封套筒；3.手柄摇杆；4.调整旋钮；5.壳体；6.全回转工作台；7.吊舱推进器无刷电机；8.转轴；9.吊舱推进器螺旋桨；10.侧向推进器壳体；11.侧向推进器无刷电机；12.转轴；13.侧向推进器螺旋桨。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步地详细说明。
本发明提供的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，由单手柄操控器、吊舱推进器、侧向推进器、吊舱控制系统组成，其中：单手柄操控器安装在船舶驾控台上，吊舱推进器安装在船舶底部，侧向推进器安装在船艏隧道中，单手柄操控器通过无线信号和吊舱控制系统连接，吊舱推进器和侧向推进器通过信号线和吊舱控制系统连接。
所述单手柄操控器，其由底座1、密封套筒2、手柄摇杆3、调整旋钮4组成，如图1所示，其中：底座1安装在驾控台上，通过螺栓与驾控台连接；底座1上装有手柄摇杆3，通过螺栓连接，连接处装有密封套筒2；手柄摇杆3上端装有调整旋钮4。
在本实施例中，底座1用于固定手柄摇杆3。密封套筒2起水密作用。手柄摇杆3输出物理量有：方向角、幅度角，其中方向角确定船体的运动方向，幅度角确定船体的运动速度。调整旋钮4输出物理量有：旋钮角，该旋钮角确定船艏部的航向。以上的3个角度量为吊舱推进船舶的控制数据。
所述吊舱推进器，悬挂于船舶底部，可在水平方向0～360°范围内转动，提供不同方向的水平推力。该吊舱推进器，如图2所示，由壳体5、全回转工作台6、吊舱推进器无刷电机7、转轴8和吊舱推进器螺旋桨9组成，其中：壳体的顶端有全回转工作台6，可以在0～360°范围回转；吊舱推进器无刷电机7装在壳体的内部，用于驱动吊舱推进器螺旋桨9转动，其通过转轴8与吊舱推进器螺旋桨9相连。
所述侧向推进器，悬挂于船首的隧道中，通过侧向推进器无刷电机11控制侧向推进器螺旋桨13的正反转，提供侧向推力。该侧向推进器，如图2所示，其由壳体10、侧向推进器 无刷电机11、转轴12和侧向推进器螺旋桨13组成，其中：侧向推进器无刷电机11装在壳体10的内部，用于驱动侧向推进器螺旋桨13转动，其通过转轴12与侧向推进器螺旋桨13相连。
所述吊舱控制系统，装在船舱内部。该吊舱控制系统如图4所示，其由MCU、无线传输模块U1，步进电机驱动器、步进电机、直流无刷电机驱动器、直流无刷电机组成，其中：无线接收模块与MCU的输入IO端口连接，步进电机驱动器与MCU的输出IO端口连接，步进电机与步进电机驱动器连接，直流无刷电机驱动器与MCU的输出IO端口连接，直流无刷电机与直流无刷电机驱动器连接。
所述MCU采用型号为AT89C51的单片机IC1，由于电机需要流过较大电流才能工作，但是单片机IC1不能提供这样大的电流，因此采用晶体管阵列U2和电机驱动U3，其作用一方面是将单片机的输出电流放大以使电机工作，另一方面是续流，消耗电机产生的感应电流，防止损坏电路。
所述无线传输模块U1采用型号为ESP8266，当其接收到控制数据时，将数据传输到单片机IC1，单片机依据所得数据进行决策。当单片机IC1引脚21和引脚22输出低电平，引脚22和引脚23输出低电平，引脚23和引脚24输出低电平，引脚24和引脚21输出低电平这样的顺序输出电平时，晶体管整列U2以引脚16和引脚15输出高电平，引脚15和引脚14输出高电平，引脚14和引脚13输出高电平，引脚13和引脚16输出高电平的顺序来输出电平，一个顺序序列之后，步进电机M1正转一定角度。当输出顺序序列相反时，步进电机反转一定角度。当单片机IC1的引脚25和引脚26输出占空比不同的PWM波时，控制直流电机M2正反转与变速。
本发明采用了基于伪逆法的吊舱推进器智能控制算法，具体如下：
单个吊舱推进器的两个控制变量为：推进器的转角αp(0～360°)、推进器转速np(0～nmax)。单个侧向推进器的两个控制变量为：推进器的转角αq(90°/270°)、推进器转速nq(0～nmax)
取船回转中心为原点，船艏方向为x轴，指向右舷侧为y轴。设主、侧推进器安装坐标(lxi,lyi)，其中(i＝1,2…p…p+q),推进器共有2(p+q)个输出变量：
主推进器转向角：αi(i＝1,2…p) 主推进器转速：ni(i＝1,2…p)
侧向推进器转向角：αj(j＝p+1,…p+q) 侧向推进器转速：nj(j＝p+1,…p+q)
将推进器推力与船体运动矢量矩阵U＝[X Y M]建立方程，推进器作用于船舶三个自由度上的力和力矩可表示为：
将上式以矩阵方式表达为：
BT＝U
其中，配置矩阵B表示推进器力作用点在随船坐标系的位置；
推力矢量矩阵表示各推进器在XY轴向的推力；
船体运动矢量矩阵表示船回转中心的XY轴向合推力及中心回转力矩；
本方案采用伪逆法对推力进行优化求解，该方法取变量的二次方为目标函数。具有计算量小、实时性强的特点。在本方案中推力与功率之间成近似二次方关系，取推进器推力的最小二乘作为目标函数，推力转矩的等式关系作为物理约束等式：
minf(T)＝TTWT /目标函数
s.t.h_1(x)＝U-BT /等式约束
其中：W为权值矩阵，表示各个推进器轴向推力的权重系数。
定义拉格朗日函数：
L(a,T)＝TTWT+a(U-BT)
其中，a表示拉格朗日乘子向量，为一参数。
分别对a，T求偏导取零:
U-BT＝0 (2)
由公式(1)解出乘子a，代回公式(2)，
可得，配置矩阵B的伪逆解：B+＝W-1BT(BW-1BT)-1
推力分配矢量矩阵：T＝W-1BT(BW-1BT)-1U。
本发明提供的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其工作过程是：驾驶员操纵单手柄操控器摇杆的摇动方向控制船体移动方向，操纵单手柄操控器摇杆的摇动幅度控制船体航速，操纵单手柄操控器摇杆的调整旋钮控制船体航向，通过吊舱控制系统调节吊舱推进器与侧向推进器工况，在多推进器协同作用下，船体做出不同航速下平移、斜移、原地回转等高机动性复杂运动。
本发明提供的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其具有高机动操纵性能，通过Matlab软件仿真实验可以验证，由图5-图8可知吊舱推进器1、吊舱推进器2和侧向推进器转速、转角均为均匀连续变化且未出现推力超过推进器推力最大值，说明推进器工况均符合理论计算的数值，该工况下船体能做出斜移、扇形运动等高机动性运动。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征是由单手柄操控器、吊舱推进器、侧向推进器、吊舱控制系统组成，其中：单手柄操控器安装在船舶驾控台上，吊舱推进器安装在船舶底部，侧向推进器安装在船艏隧道中，吊舱控制系统装在船舱内部；单手柄操控器通过无线信号和吊舱控制系统连接，吊舱推进器和侧向推进器通过信号线和吊舱控制系统连接；
单手柄操控器设有手柄摇杆(3)和调整旋钮(4)，手柄摇杆(3)输出物理量有方向角、幅度角，其中方向角确定船体的运动方向，幅度角确定船体的运动速度；调整旋钮(4)输出物理量有旋钮角，该旋钮角确定船艏部的航向；方向角、幅度角和旋钮角均为吊舱推进船舶的控制数据。
2.根据权利要求1所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于所述的单手柄操控器，其由底座(1)、密封套筒(2)、手柄摇杆(3)、调整旋钮(4)组成，其中：底座(1)固定在驾驶控制台上；手柄摇杆(3)与底座(1)相连，连接处装有密封套筒(2)；调整旋钮(4)装在手柄摇杆(3)的上端。
3.根据权利要求1所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于所述的吊舱推进器悬挂于船舶底部，其由壳体、全回转工作台(6)、吊舱推进器无刷电机(7)、转轴(8)和吊舱推进器螺旋桨(9)组成，其中：壳体的顶端安装能够在0～360°范围旋转的全回转工作台(6)；吊舱推进器无刷电机(7)装在壳体的内部，其通过转轴(8)与吊舱推进器螺旋桨(9)相连。
4.根据权利要求1所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于所述的侧向推进器，悬挂于船首的隧道中，该侧向推进器由壳体、侧向推进器无刷电机(11)、转轴(12)和侧向推进器螺旋桨(13)组成，其中：侧向推进器无刷电机(11)装在壳体的内部，其通过转轴(12)与侧向推进器螺旋桨(13)相连。
5.根据权利要求1所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于所述的吊舱控制系统，主要由MCU、无线传输模块U1，步进电机驱动器、步进电机、直流无刷电机驱动器、直流无刷电机组成，其中：无线接收模块与MCU的输入IO端口连接，步进电机驱动器与MCU的输出IO端口连接，步进电机与步进电机驱动器连接，直流无刷电机驱动器与MCU的输出IO端口连接，直流无刷电机与直流无刷电机驱动器连接。
6.根据权利要求5所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于所述的吊舱控制系统，还设有晶体管阵列U2和电机驱动器U3，其作用一方面是将单片机的输出电流放大以使直流无刷电机工作，另一方面是续流，消耗电机产生的感应电流，防止损坏电路。
7.根据权利要求5所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于所述的MCU采用型号为AT89C51的单片机IC1。
8.根据权利要求1所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于所述的无线传输模块U1采用型号为ESP8266，当其接收到控制数据时，将数据传输到单片机IC1，单片机依据所得数据进行决策。
9.根据权利要求1所述的吊舱推进船舶机动操纵矢量控制装置，其特征在于建立了吊舱推进船舶机动操纵矢量控制的物理模型，以实现船舶矢量控制功能和提高船舶的操纵性，所述物理模型是基于伪逆法的吊舱推进器智能控制算法：
minf(T)＝TTWT/目标函数
s.t.h_1(x)＝U-BT/等式约束
式中：T为推进器推力分配矩阵；W为推进器权值矩阵，表示各个推进器轴向推力的权重系数；U为船体运动矢量矩阵；B为参数配置矩阵；
定义拉格朗日函数：L(a,T)＝TTWT+a(U-BT)，其中a为拉格朗日乘子。
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