CN106926990B - 基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法 - Google Patents

基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法，该方法采用的减摇系统包括控制器、可绕船尾上下转动的压浪板、用于驱动压浪板转动的驱动装置、用于检测艇体纵向旋转角度或角速度或角加速度的艇体纵摇传感器，以及用于监测压浪板所处角度状态的压浪板角度传感器。该方法包括如下步骤：1)通过艇体纵摇传感器采集艇体纵向旋转的角度或角速度或角加速度；2)压浪板角度传感器监测压浪板当前角度并传送给控制器，控制器求解压浪板的目标角度γ；3)控制器根据步骤2)中求解结果，控制所述驱动装置使压浪板旋转到目标角度γ。本发明根据艇体纵向旋转的角加速度或角速度，对压浪板倾角进行实时控制，提高了游艇的舒适性能与安全性能。

Description

基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法
技术领域
本发明涉及一种游艇纵向减摇技术，特别是指一种基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法。
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，航空与陆路领域的出行舒适度已得到很大改善，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成为亟待解决的问题之一。
游艇作为一种水上娱乐用高级耐用消费品，消费者对其舒适性、安全性有着更高的要求。排水式等游艇横向减摇技术已经相对成熟，而纵向减摇问题还没有得到实质性的解决，更没有得到应用。日本、英国等国家都研究过纵向减摇装置，但效果不甚理想，国内在有关方面的研究更是较为空白。因此，发展纵向减摇技术对改善艇体纵摇、提高游艇舒适度方面潜力颇大。
现有的纵向减摇方式多为被动式，能够在一定程度上减小艇体纵摇，但同时也存在一些问题。大部分减摇装置达不到理想的减摇效果，减摇效率低，还会一定程度增加航行阻力。另外，减纵摇装置过于复杂，不便于安装，在实际工程中难以实现应用。在性价比、施工难度、减摇效果等方面，目前的减摇装置都达不到预期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种的实施难度低、减摇效果好的基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法。
为实现上述目的，本发明所设计的基于压浪板的游艇纵向动态减摇系统，包括控制器、可绕船尾上下转动的压浪板、用于驱动压浪板转动的驱动装置、用于检测艇体纵向旋转角度或角速度或角加速度的艇体纵摇传感器，以及用于监测压浪板所处角度状态的压浪板角度传感器；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，所述艇体纵摇传感器的测量信号输出端、压浪板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，所述艇体纵摇传感器为六轴陀螺仪。
本发明同时提供了一种采用前述游艇纵向动态减摇系统进行游艇纵向动态减摇的方法，包括如下步骤：
1)通过所述艇体纵摇传感器采集艇体纵向旋转的角度或角速度或角加速度，角度、角速度和角加速度可以通过求导或积分换算；
2)压浪板角度传感器监测压浪板当前角度并传送给控制器，控制器求解如下方程计算压浪板的目标角度γ：
式中，
γ为相对于船尾底板的角度，当压浪板与船尾底板平行时，γ＝0；以γ＝0为基准，当压浪板向下旋转时γ取正值，当压浪板向上旋转时γ取负值；
α是上一时刻艇体纵向旋转的角度；是α的一阶导数，即上一时刻艇体纵向旋转的角速度；是α的二阶导数，即上一时刻艇体纵向旋转的角加速度；
α1是当前时刻艇体纵向旋转的角度；是α1的一阶导数，即当前时刻艇体纵向旋转的角速度；是α1的二阶导数，即当前时刻艇体纵向旋转的角加速度；
是上一时刻的惯性力矩，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，J′yy是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
是上一时刻的阻尼力矩，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，C为常数，取0.18计算；
M3(α)是上一时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：M3(α)＝△×H×sinα，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
是当前时刻的惯性力矩，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，J′yy是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
是当前时刻的阻尼力矩，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，C为常数，取0.18计算；
M3(α1)是当前时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：M3(α1)＝△×H×sinα1，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
f是艇底和压浪板组成的相当平板的拱度，由以下公式确定：
ρ是海水密度，通常取值为1.025g/cm3；U是船航速，由船舶需求得到；L为压浪板的弦长；d为压浪板的宽度；
3)控制器根据步骤2)中求解结果，控制所述驱动装置使压浪板旋转到目标角度γ。
优选地，所述压浪板的目标角度γ的取值范围为-15°～+7.5°
优选地，当艇体纵向旋转角加速度指向游艇坐标系z轴的正向时，压浪板的目标角度γ的取值范围0°～7.5°；当艇体纵向旋转加速度指向游艇坐标系z轴的负向时，压浪板的目标角度γ的调整范围-15°～0°。
本发明的有益效果是：
1)所提供的游艇纵向动态减摇方法，根据艇体纵向旋转的角加速度或角速度，对压浪板倾角进行实时控制，使压浪板能够提供与艇体纵向旋转运动的角加速度方向相反的升力，从而实时减小艇体的纵倾幅度，高效率实现艇体动态纵向减摇，提高了游艇的舒适性能与安全性能。
2)所提供的游艇纵向动态减摇系统通过控制压浪板的角度进行纵向减摇，结构简单，便于安装，减摇效率好。
附图说明
图1为本发明所设计的基于压浪板的游艇纵向动态减摇系统的结构示意图。
图2～4分别为图1中压浪板角度为15°、0°、-7.5°时的状态示意图。图中为便于标注，角度有所放大。
图5为图1中游艇的船舶坐标系示意图。
图6是图1中游艇纵向动态减摇系统的控制原理示意图。
其中：船尾底板1、船尾封板2、压浪板3、转动件4、第二传动杆5、第一传动件6、步进电机7、驱动芯片8、铰接件9、艇体纵摇传感器10、压浪板角度传感器11、控制器12
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，本发明所设计的基于压浪板的游艇纵向动态减摇系统，包括控制器12、可绕船尾上下转动的压浪板3、用于驱动压浪板3转动的驱动装置、用于检测艇体纵向旋转角度或角速度或角加速度的艇体纵摇传感器10，以及用于监测压浪板3所处角度状态的压浪板角度传感器11。
船尾底板1、船尾封板2相交处设置有转动件4，压浪板3安装在转动件4外侧，与转动件作为整体转动。驱动装置采用步进电机7，安装在船尾底板1尾部的艇舱内。步进电机7通过第一传动杆6、第二传动杆5连接至转动件4，并驱动转动件4转动。步进电机7的输出轴与转动件4的旋转轴沿船舶坐标系的y轴方向，第一传动杆6、第二传动杆5平行于平面xz运动。
控制器12采用单片机，其型号为STM32F103R。艇体纵摇传感器10为六轴陀螺仪，型号为mpu6050。压浪板角度传感器采用型号为WDG-AM38-360的角度传感器，安装在转动件4处，通过测量转动件4的转动角来间接测量压浪板的转角。
如图6所示，控制器12的控制信号输出端与步进电机7的驱动芯片8相连，控制驱动芯片8输出电流到步进电机7。驱动芯片8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。艇体纵摇传感器10的测量信号输出端分别与压浪板角度传感器11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。
采用上述系统进行游艇纵向动态减摇的步骤如下：
1)通过所述艇体纵摇传感器10采集艇体纵向旋转的角度或角速度或角加速度，角度、角速度和角加速度可以通过求导或积分换算；
2)压浪板角度传感器11监测压浪板当前角度并传送给控制器12，控制器12求解如下方程计算压浪板的目标角度γ：
式中，
γ为相对于船尾底板1的角度，当压浪板与船尾底板1平行时，γ＝0；以γ＝0为基准，当压浪板向下旋转时γ取正值，当压浪板向上旋转时γ取负值；
α是上一时刻艇体纵向旋转的角度；是α的一阶导数，即上一时刻艇体纵向旋转的角速度；是α的二阶导数，即上一时刻艇体纵向旋转的角加速度；
α1是当前时刻艇体纵向旋转的角度；是α1的一阶导数，即当前时刻艇体纵向旋转的角速度；是α1的二阶导数，即当前时刻艇体纵向旋转的角加速度；
是上一时刻的惯性力矩，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，J′yy是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
是上一时刻的阻尼力矩，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，C为常数，取0.18计算；
M3(α)是上一时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：M3(α)＝△×H×sinα，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
是当前时刻的惯性力矩，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，J′yy是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
是当前时刻的阻尼力矩，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，C为常数，取0.18计算；
M3(α1)是当前时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：M3(α1)＝△×H×sinα1，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
f是艇底和压浪板组成的相当平板的拱度，由以下公式确定：
ρ是海水密度，通常取值为1.025g/cm3；U是船航速，由船舶需求得到；L为压浪板的弦长；d为压浪板的宽度；
3)压浪板角度传感器11实时监测压浪板角度；控制器12根据步骤2)中求解结果，控制所述驱动装置。控制器向驱动芯片8发送指令，控制电力输入步进电机7，使步进电机7转动一定角度后停止(与压浪板的转动角度相对应)，步进电机7的带动第一传动杆6、第二传动杆5运动，第二传动杆5带动压浪板3随转动件4转动使压浪板旋转到目标角度γ。
通过以上方式不断调整压浪板的角度，使船尾纵摇幅度不断减小直至达到预期的减摇效果。

Claims (3)

1.一种基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法，其特征在于：
该方法采用的游艇纵向动态减摇系统，包括控制器(12)、可绕船尾上下转动的压浪板(3)、用于驱动压浪板(3)转动的驱动装置、用于检测艇体纵向旋转角度或角速度或角加速度的艇体纵摇传感器(10)，以及用于监测压浪板(3)所处角度状态的压浪板角度传感器(11)；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，所述艇体纵摇传感器(10)的测量信号输出端、压浪板(3)角度传感器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；
该方法包括如下步骤：
1)通过所述艇体纵摇传感器(10)采集艇体纵向旋转的角度或角速度或角加速度，角度、角速度和角加速度可以通过求导或积分换算；
2)压浪板角度传感器(11)监测压浪板当前角度并传送给控制器(12)，控制器(12)求解如下方程计算压浪板的目标角度γ：
式中，
γ为相对于船尾底板(1)的角度，当压浪板与船尾底板(1)平行时，γ＝0；以γ＝0为基准，当压浪板向下旋转时γ取正值，当压浪板向上旋转时γ取负值；
α是上一时刻艇体纵向旋转的角度；是α的一阶导数，即上一时刻艇体纵向旋转的角速度；是α的二阶导数，即上一时刻艇体纵向旋转的角加速度；
α1是当前时刻艇体纵向旋转的角度；是α1的一阶导数，即当前时刻艇体纵向旋转的角速度；是α1的二阶导数，即当前时刻艇体纵向旋转的角加速度；
是上一时刻的惯性力矩，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，J′yy是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
是上一时刻的阻尼力矩，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，C为常数，取0.18计算；
M3(α)是上一时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：M3(α)＝△×H×sinα，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
是当前时刻的惯性力矩，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，J′yy是船体对通过重心横轴的附加转动惯量，由船体要求得到；
是当前时刻的阻尼力矩，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，C为常数，取0.18计算；
M3(α1)是当前时刻的静水回复力矩，由以下公式确定：M3(α1)＝△×H×sinα1，其中Δ是船舶排水量，H是纵稳性高，由船体要求得到；
f是艇底和压浪板组成的相当平板的拱度，由以下公式确定：
ρ是海水密度，通常取值为1.025g/cm3；U是船航速，由船舶需求得到；L为压浪板的弦长；d为压浪板的宽度；
3)控制器(12)根据步骤2)中求解结果，控制所述驱动装置使压浪板旋转到目标角度γ。
2.根据权利要求1所述的基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法，其特征在于：所述压浪板的目标角度γ的取值范围为-15°～+7.5°。
3.根据权利要求2所述的基于压浪板的游艇纵向动态减摇方法，其特征在于：当艇体纵向旋转角加速度指向游艇坐标系z轴的正向时，所述压浪板的目标角度γ的取值范围0°～7.5°；当艇体纵向旋转加速度指向游艇坐标系z轴的负向时，所述压浪板的目标角度γ的调整范围-15°～0°。
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