CN106043616B - 船舶纵向动态减摇方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶纵向动态减摇方法与相应的船舶纵向动态减摇装置。该方法包括如下步骤：1)采集船尾纵向旋转的加速度或角速度，进一步换算成船体的纵摇角；2)当船体达到最大纵摇角时，调整水翼的翼片角度为γ。该装置包括水翼、支撑架、驱动装置、传动装置和控制系统；支撑架的前端固定在船尾底板上，水翼通过所述转轴铰接在支撑架的后端；驱动装置通过传动装置与水翼相连；控制系统包括控制器、船体纵摇传感器和水翼角度传感器；控制器的控制信号输出端与驱动装置的控制信号输入端相连，船体纵摇传感器和水翼角度传感器的测量信号输出端分别与控制器的测量信号输入端相连。该方法和装置可实现船体的动态纵向减摇，减摇效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶纵向减摇系统，特别是指一种船舶纵向动态减摇方法与装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人们越来越注重出行的安全性与舒适性。现今，航空与陆路方面的出行舒适度已得到很大的改善，而在海洋航行领域，因受海洋风浪的影响，船舶极易在航行过程中发生船体倾斜与摇摆。改善船舶航行状态、提高远洋航行舒适度也因此越来越受到人们的关注。
面前，船舶在横向减摇方面的研究技术已经十分成熟，而在纵向减摇方面的研究却极少有成果，国内在纵向减摇方面的研究也较为空白。因此，发展纵向减摇技术在改善船体纵摇、提高船舶舒适度上具有很大的研究前景。
现有的纵向减摇方式多为被动式，能够在一定程度上减小船体纵摇，但同时也存在一些问题。其减摇效果较差，减摇效率低，而且还会在一定程度上增加船体的航行阻力，降低航速。另外，现有减摇装置的结构较为复杂，布置困难，甚至由于增大了船体振荡的可能性反而降低了船舶航行的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实时减小船体纵倾幅度、减摇效率高的船舶纵向动态减摇方法，以及采用该方法的船舶纵向减摇装置。
为实现上述目的，本发明所设计的船舶纵向动态减摇方法，包括如下步骤：
1)通过船体纵摇传感器采集船尾纵向旋转的加速度或角速度，进一步换算成船体的纵摇角；
2)当船体达到最大纵摇角时，通过驱动装置调整水翼(5)的翼片角度为γ，当纵摇角为最大正值时，γ取负值；当纵摇角为最大负值时，γ取正值。γ的正负代表方向，负值代表水翼指向船舶坐标系的x轴下方，正直代表水翼指向船舶坐标系的x轴上方，γ的绝对值代表大小，最大负值是指绝对值最大的负值。
优选地，步骤2)中，当纵摇角为最大正值时，γ的取值范围为+5°～+30°；当纵摇角为最大负值时，γ的取值范围为调整范围-30°～-5°。
优选地，步骤2)中，当纵摇角为最大正值时，γ的取值范围为+20°～+30°；当纵摇角为最大负值时，γ的取值范围为调整范围-30°～-20°。
优选地，步骤2)中，以最大纵摇角为输出，以γ为输入建立闭环控制，自动控制水翼(5)的翼片角度，使船体的最大纵摇角不断减小。最大纵摇角可通过对角速度传感器测得的纵摇角速度进行积分求得。当纵摇角速度为0时，纵倾角幅值达到最大值，其正负可以通过纵摇角速度的变化趋势(即微分的正负)来判断。
优选地，步骤2)中，水翼的翼片角度γ(t时刻)通过如下公式确定：
式中，
θ1是t时刻的船体纵摇角，由传感器测量得到；
f(θ1)是t时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：f(θ1)＝Δ×H×sinθ1，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
是t时刻的阻尼力矩，由以下公式确定： 其中Igy是水线面对通过重心横轴的纵向惯性矩，由船体要求得到，f为常数，具体应用实例取f＝0.18计算；
是t时刻的惯性力矩，由以下公式确定： Jyy是船体本身对通过重心横轴的转动惯量，Jyy′是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
θ是0时刻(任取某时刻为0时刻)的船体纵摇角，由传感器测量得到，θ为初始值；
f(θ)是0时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：f(θ)＝Δ×H×sinθ，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
是0时刻的阻尼力矩，由以下公式确定：其中Igy是水线面对通过重心横轴的纵向惯性矩，由船体要求得到，f为常系数，具体应用实例取f＝0.18计算；
是0时刻的惯性力矩，由以下公式确定： Jyy是船体本身对通过重心横轴的转动惯量，Jyy′是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
ρ是海水密度，通常取值为1.025g/cm3；
v是船航速，由船舶需求得到；
A是水翼面积，对于正面为矩形的翼片由以下公式确定：A＝bl，b为水翼弦长，l为水翼展长；
d是水翼中心到船体漂心的距离，近似等于垂线间长的一半，即d＝0.5LPP，LPP为船体垂线间长；
δ是水翼转角与升力系数间的关系系数，由具体翼型得到；
该方程建立起γ与θ1的关系，即为达到一定的船体纵摇角θ1，需要水翼转动多少角度γ。
本发明同时提供了一种为实现上述方法而设计的船舶纵向动态减摇装置，安装在船体的船尾底板上，其包括水翼、支撑架、驱动装置、传动装置和控制系统；所述支撑架的前端固定在船尾底板上，所述支撑架的后端沿船舶横向设置有转轴，所述水翼通过所述转轴铰接在支撑架的后端；所述驱动装置安装在船体尾部的船舱内，通过传动装置与水翼相连，驱动水翼绕所述转轴旋转；所述控制系统包括控制器、船体纵摇传感器和水翼角度传感器，所述船体纵摇传感器用于监测船体的纵向摇动角速度或加速度，所述水翼角度传感器用于监测水翼的旋转角度，所述控制器的控制信号输出端与驱动装置的控制信号输入端相连，所述船体纵摇传感器的测量信号输出端和水翼角度传感器的测量信号输出端分别与控制器的测量信号输入端相连。
优选地，所述驱动装置为步进电机(含驱动系统)或伺服电机(含伺服系统)。
优选地，所述传动装置包括第一传动杆、第二传动杆和第三传动杆；所述第二传动杆从设置在船尾底板上的开孔中穿过，其两端分别与第一传动杆的一端、第三传动杆的一端铰链连接；所述第一传动杆的另一端铰接在水翼上表面远离所述转轴的位置处；所述第三传动杆的另一端与所述驱动装置的输出轴相连。
优选地，所述水翼的翼片数量为两个，所述传动装置与驱动装置为两组，所述水翼的每个翼片分别通过一个传动装置与一个驱动装置相连。
优选地，所述船体纵摇传感器为加速度计或角速度传感器。进一步地，所述船体纵摇传感器为六轴陀螺仪。
优选地，所述控制器为单片机(即MCU)。
本发明的有益效果如下：
1)所提供的船舶纵向动态减摇方法，根据船尾纵向旋转的加速度或角速度，对水翼倾角进行实时控制，使水翼升力与船尾纵向旋转运动的加速度方向相反，从而实时减小船体的纵倾幅度，实现船体动态纵向减摇，减摇效率高，提高了船舶的舒适性与安全性。
2)所提供的船舶纵向动态减摇装置采用本发明提供的船舶纵向动态减摇方法进行纵向减摇，减摇效率高，重量小、结构简单、安装简易。
附图说明
图1是本发明船舶纵向动态减摇装置的结构示意图。
图2是图1中水翼的翼片角度为-30°时的状态示意图。
图3是图1中水翼的翼片角度为+30°时的状态示意图。
图4是图1中水翼的翼片角度为0°时的状态示意图。
图5是图1中船舶纵向动态减摇装置的控制原理示意图。
图6为船舶坐标系的示意图。
图7为纵摇角度的示意图，图中，WL为水线，向右为船首方向。
其中：船体1、船尾底板2、支撑架3、转轴4、水翼5、第一传动杆6、第二传动杆7、开孔8、第三传动杆9、步进电机10、驱动芯片11、控制器12、船体纵摇传感器13、水翼角度传感器14
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1～6所示，本发明所设计的船舶纵向动态减摇装置，安装在船体1的船尾底板2上，其包括水翼5、支撑架3、驱动装置、传动装置和控制系统。
支撑架3的前端固定在船尾底板2上，支撑架3的后端沿船舶横向铰接有转轴4。
水翼5的翼片数量为两个，两翼片分别固定连接在转轴4的两端，与转轴4作为整体可绕支撑架3旋转。水翼5的每个翼片分别通过各自的传动装置与各自的驱动装置相连。
驱动装置采用步进电机10，安装在船体1尾部的船舱内。
传动装置包括第一传动杆6、第二传动杆7和第三传动杆9。第二传动杆7从设置在船尾底板2上的开孔8中穿过，其两端分别与第一传动杆6的一端、第三传动杆9的一端铰链连接。第一传动杆6的另一端铰接在水翼5上表面远离转轴4的位置处。第三传动杆9的另一端与步进电机10的输出轴相连。步进电机10的输出轴和转轴4沿y轴方向，第一传动杆6、第二传动杆7和第三传动杆9平行于yz平面运动。
控制系统包括控制器12、船体纵摇传感器13和水翼角度传感器14。控制器12采用单片机，其型号为AT89C51。船体纵摇传感器13为六轴陀螺仪，型号为mpu6050。水翼角度传感器14采用型号为GC03-WDS36-A-90d的角度传感器，安装在转轴4处，通过测量转轴4的转动角度来间接测量水翼的转角。
如图5所示，控制器12的控制信号输出端与步进电机10的驱动芯片11相连，控制驱动芯片11输出电流到步进电机10。驱动芯片11采用晶体管阵列，其型号为ULN2004A，既可以放大电流，也可以续流，消耗电机产生的感应电流，防止损坏电路。船体纵摇传感器13的测量信号输出端和水翼角度传感器14的测量信号输出端分别与控制器12的测量信号输入端相连。
以下以一条中高速实船尺寸为例，通过两个实施例对采用上述装置进行船舶纵向动态减摇的方法进行详细说明。
该中高速实船的主要参数如表1所示：
表1 实船主尺度参数表
方法实施例1
该实施例中，水翼角度采用闭环控制自动控制，其具体实施步骤如下：
1)船体纵摇传感器13采集船体1的纵摇角速度并输出信号，控制器12接收船体纵摇传感器13传入的信号，并将纵摇角速度换算成纵摇角。
2)当船体达到最大纵摇角时，通过驱动装置调整水翼(5)的翼片角度为γ，当纵摇角为最大正值时，γ取-30°；当纵摇角为最大负值时，γ取+30°。纵摇角的正负参见图7，γ的正负参见图2～4。
该步骤中，翼片角度为γ通过如下方式进行调整：控制器12向驱动芯片11发送指令，控制电力输入步进电机10，使步进电机10转动一定的角度后停止(与翼片转动角度对应)，步进电机10的轴带动第三传动杆9运动，第三传动杆9通过第二传动杆7带动第一传动杆6运动，第一传动杆6带动水翼5的翼片绕转轴4转动一定角度(-30°或+30°)后停止，转动角度通过水翼角度传感器14进行监测。
3)以船体最大纵摇角为输出，水翼5的翼片角度为输入建立闭环控制(负反馈)，自动控制水翼5的角度，使纵摇幅度(即最大纵摇角)不断减小直至达到预期的减摇效果。
方法实施例2
该实施例的实施步骤与方法实施例1基本相同，不同的是，步骤2)中，水翼5的翼片角度通过如下公式确定：
式中，
θ1是t时刻的船尾纵摇角度，由传感器测量得到；
f(θ1)是t时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：f(θ1)＝Δ×H×sinθ1，其中Δ＝985.9t是船舶排水量，H＝2.3m是纵稳性高；
是t时刻的阻尼力矩，由以下公式确定： 其中Igy＝93371.96m4是水线面对通过重心横轴的纵向惯性矩；f为常数，取f＝0.18计算；
是t时刻的惯性力矩，由以下公式确定： Jyy是船体本身对通过重心横轴的转动惯量，Jyy′是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，近似取Jyy＝Jyy′＝20205.32t.m2；
θ为初始值，即0时刻的船尾纵摇角度，由传感器测量得到；
f(θ)是0时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：f(θ)＝Δ×H×sinθ，其中Δ＝985.9t是船舶排水量，H＝2.3m是纵稳性高；
是0时刻的阻尼力矩，由以下方法/公式确定： 其中Igy＝93371.96m4是水线面对通过重心横轴的纵向惯性矩；f为常数，取f＝0.18计算；
是0时刻的惯性力矩，由以下方法/公式确定： Jyy是船体本身对通过重心横轴的转动惯量，Jyy′是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，近似取Jyy＝Jyy′＝20205.32t.m2；
ρ＝1.025t/m4为海水密度；v＝10m/s是船航速；A＝8m2是水翼面积；LPP＝55m是船体垂线间长，d＝0.5LPP＝27.5m是水翼中心到船体漂心的距离；δ是建立水翼转角γ与升力系数CL间的关系系数，CL＝δγ，本例中，水翼型号为NACA0021，其升力系数CL的表达式为CL＝-2×10-5γ3+0.0007γ2+0.0285γ+0.0067。
根据以上方程，假定当0时刻船体纵倾幅值θ＝5°时，t时刻船体纵倾幅值为θ1＝2.5°(具体应用时根据实际情况取值)，求解得，所需水翼转动角度为30°。
Claims (9)
1.一种船舶纵向动态减摇方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)通过船体纵摇传感器(13)采集船尾纵向旋转的加速度或角速度，进一步换算成船体的纵摇角；
2)当船体达到最大纵摇角时，通过驱动装置调整水翼(5)的翼片角度为γ，当纵摇角为最大正值时，γ取负值；当纵摇角为最大负值时，γ取正值；所述翼片角度γ通过如下公式确定：
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<mn>2</mn>
</msup>
<mi>A</mi>
<mi>d</mi>
<mi>&delta;</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，
θ1是t时刻的船体纵摇角，由传感器测量得到；
f(θ1)是t时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：f(θ1)＝Δ×H×sinθ1，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高；
是t时刻的阻尼力矩，由以下公式确定： 其中Igy是水线面对通过重心横轴的纵向惯性矩；f为常数，取f＝0.18计算；
是t时刻的惯性力矩，由以下公式确定： Jyy是船体本身对通过重心横轴的转动惯量，Jyy'是船体对通过重心横轴的附加转动惯量；
θ为初始值，即0时刻的船体纵摇角，由传感器测量得到；
f(θ)是0时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：f(θ)＝Δ×H×sinθ，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高；
是0时刻的阻尼力矩，由以下方法/公式确定： 其中Igy是水线面对通过重心横轴的纵向惯性矩；f为常数，取f＝0.18计算；
是0时刻的惯性力矩，由以下方法/公式确定： Jyy是船体本身对通过重心横轴的转动惯量，Jyy'是船体对通过重心横轴的附加转动惯量；
ρ为海水密度；v是船航速；A是水翼面积；d是水翼中心到船体漂心的距离；δ是水翼转角与升力系数间的关系系数。
2.根据权利要求1所述的船舶纵向动态减摇方法，其特征在于：步骤2)中，当纵摇角为最大正值时，γ的取值范围为+5°～+30°；当纵摇角为最大负值时，γ的取值范围为调整范围-30°～-5°。
3.根据权利要求2所述的船舶纵向动态减摇方法，其特征在于：步骤2)中，当纵摇角为最大正值时，γ的取值范围为+20°～+30°；当纵摇角为最大负值时，γ的取值范围为调整范围-30°～-20°。
4.根据权利要求1所述的船舶纵向动态减摇方法，其特征在于：步骤2)中，以最大纵摇角为输出，以γ为输入建立闭环控制，自动控制水翼(5)的翼片角度，使船体的最大纵摇角不断减小。
5.一种为实现权利要求1中所述方法而设计的船舶纵向动态减摇装置，安装在船体(1)的船尾底板(2)上，其特征在于：该装置包括水翼(5)、支撑架(3)、驱动装置、传动装置和控制系统；
所述支撑架(3)的前端固定在船尾底板(2)上，所述支撑架(3)的后端沿船舶横向设置有转轴(4)，所述水翼(5)通过所述转轴(4)铰接在支撑架(3)的后端；所述驱动装置安装在船体(1)尾部的船舱内，通过传动装置与水翼(5)相连，驱动水翼(5)绕所述转轴(4)旋转；
所述控制系统包括控制器(12)、船体纵摇传感器(13)和水翼角度传感器(14)；所述船体纵摇传感器(13)为加速度计或角速度传感器，用于监测船体(1)的纵向摇动角速度或加速度；所述水翼角度传感器(14)用于监测水翼(5)的旋转角度；所述控制器(12)的控制信号输出端与驱动装置的控制信号输入端相连，所述船体纵摇传感器(13)的测量信号输出端和水翼角度传感器(14)的测量信号输出端分别与控制器(12)的测量信号输入端相连。
6.根据权利要求5所述的船舶纵向动态减摇装置，其特征在于：所述驱动装置为步进电机(10)或伺服电机。
7.根据权利要求5所述的船舶纵向动态减摇装置，其特征在于：所述传动装置包括第一传动杆(6)、第二传动杆(7)和第三传动杆(9)；所述第二传动杆(7)从设置在船尾底板(2)上的开孔(8)中穿过，其两端分别与第一传动杆(6)的一端、第三传动杆(9)的一端铰链连接；所述第一传动杆(6)的另一端铰接在水翼(5)上表面远离所述转轴(4)的位置处；所述第三传动杆(9)的另一端与所述驱动装置的输出轴相连。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的船舶纵向动态减摇装置，其特征在于：所述水翼(5)的翼片数量为两个，所述传动装置与驱动装置为两组，所述水翼(5)的每个翼片分别通过一个传动装置与一个驱动装置相连。
9.根据权利要求5～7中任一项所述的船舶纵向动态减摇装置，其特征在于：所述船体纵摇传感器(13)为六轴陀螺仪。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180420 |