CN107117272A - 一种外挂式救生艇自平衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外挂式救生艇自平衡装置，涉及自平衡装置技术领域，包括分别设置在救生艇两侧的左电机和右电机，所述左电机和所述右电机分别驱动一螺旋桨转动为所述救生艇提供抗倾翻扭矩，所述左电机和所述右电机均由控制系统控制。本发明的外挂式救生艇自平衡装置可使救生艇上的作业人员在作业的时候为救生艇提供抗倾翻扭矩，以保持救生艇的平衡状态。
Description
技术领域
本发明涉及自平衡装置技术领域，特别是涉及一种外挂式救生艇自平衡装置。
背景技术
随着近年来极端气候频繁发生，我国沿海和内陆对救生艇的需求增加。然而我国的救生艇多为单人操作的划桨式橡皮艇(如图6所示)或马达驱动的橡皮艇，由于自重较小，其对风浪的抗击打能力弱。尤其在船上的作业人员实施救援或其它作业时(如图7-8所示)，往往因工作需要导致船体重心偏移而倾斜 (如图9所示)，更是经常出现翻船的现象，严重影响了作业人员的生命安全以及救灾物资的顺利送达。无独有偶，橡皮艇似的科考船只在采样作业时也经常会发生翻船的现象。针对该问题，英国在2016年发明了“不倒翁”式救生艇，其主要原理是将船底设计成较重的三角形，来保证船体重心一直处于水面以下，并增加船底的重量，将船身设计成可封闭或半封闭形式，来实现抵抗风浪的击打，即便发生翻船事故，也会由于船的底座的力矩而快速恢复原位。
我国在过去10年时间内自平衡技术发展迅速，螺旋桨动力驱动自平衡装置已经广泛应用到各种无人机制造和生产中。此类动力是由直流电机驱动的，一般是由锂电池供电，由于电池容量有限，其不可能作为船体的前进驱动力长期使用。受限与此，长期以来螺旋桨动力平衡装置在船体上的应用一直被我国学者忽视，采用螺旋桨动力自平衡装置的救生艇在国内尚属空白。但实际上螺旋桨动力作为短期的平衡力是完全可以胜任的。
发明内容
本发明的目的是提供一种外挂式救生艇自平衡装置，以解决上述现有技术存在的问题，使救生艇上的作业人员在作业时，为救生艇提供抗倾翻力矩，减少救生艇的倾翻风险。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种外挂式救生艇自平衡装置，包括分别设置在救生艇两侧的左电机和右电机，所述左电机和所述右电机分别驱动一螺旋桨转动为所述救生艇提供抗倾翻扭矩，所述左电机和所述右电机均由控制系统控制；所述控制系统包括单片机控制器、A/D转换模块、平衡检测器和电源模块，所述左电机和所述右电机、所述单片机控制器、所述A/D转换模块、所述平衡检测器依次电连接，所述单片机控制器和所述电源模块电连接，所述平衡检测器检测所述救生艇的状态并将检测参数经所述A/D转换模块传送给所述单片机控制器。
优选地，所述左电机和所述右电机在所述救生艇的两侧对称设置，且所述左电机和所述右电机的螺旋桨的旋转轴线水平或垂直设置。
优选地，所述左电机和所述右电机均为直流电机。
优选地，所述左电机和所述右电机分别固定在一支撑架的顶端，所述支撑架末端设有一吸盘，所述吸盘吸附在所述救生艇上。
优选地，所述左电机和所述右电机分别固定在一支撑架的顶端，所述支撑架末端设有一安装板，所述救生艇上预设有安装支架，所述安装板与所述安装支架通过螺栓连接。
优选地，所述平衡检测器包括加速度传感器和角度传感器。
优选地，所述角度传感器为电子陀螺仪。
优选地，所述A/D转换模块包括依次电连接的阻抗变换器、信号放大器、滤波器和A/D转换器。
优选地，所述控制系统密封在防水盒中，所述防水盒设置在所述救生艇上。
优选地，所述左电机和所述右电机均为两个，两个所述左电机分别设置在所述救生艇左侧的前后两端，两个所述右电机分别设置在所述救生艇右侧的前后两端。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明公开的平衡检测器可检测救生艇的状态(主要为倾斜角度和加速度)，并将检测参数经A/D转换模块传送给单片机控制器，单片机控制器根据检测参数并进行PID运算后，控制左电机和右电机朝向相反的方向旋转，带动螺旋桨转动，在反作用力的作用下，螺旋桨可为救生艇提供与倾翻方向相反的扭矩，以使救生艇重新达到平衡状态，减少救生艇翻船的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例
中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是
本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动
的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明外挂式救生艇自平衡装置的安装效果示意图；
图2为本发明左电机和右电机的结构示意图；
图3为本发明左电机和右电机的另一种结构示意图；
图4为本发明控制系统的系统构成框图；
图5为本发明外挂式救生艇自平衡装置的另一种安装效果示意图；
图6为作业人员救人时救生艇的效果示意图；
图7为作业人员捞物品时救生艇的效果示意图；
图8为救生艇重心偏移时的数学模型示意图；
图9为救生艇重心偏移时的三维角度示意图；
其中，1-左电机，2-右电机，3-螺旋桨，4-支撑架，5-吸盘，6-安装板，7-安装支架，8-防水盒，9-救生艇。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的目的是提供一种外挂式救生艇自平衡装置，以解决上述现有技术存在的问题，使救生艇上的作业人员在作业时，为救生艇提供抗倾翻力矩，减少救生艇的倾翻风险。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：如图1-4所示，本实施例提供了一种外挂式救生艇自平衡装置，包括对称设置在救生艇9两侧的左电机1和右电机2，左电机1和右电机2优选为直流电机。左电机1和右电机2分别固定在一支撑架4的顶端，支撑架4末端设有一吸盘5，吸盘5吸附在救生艇9上。左电机1和右电机2分别驱动一螺旋桨3转动为救生艇提供抗倾翻扭矩，且左电机1和右电机2的螺旋桨3的旋转轴线水平设置。左电机1和右电机2均由控制系统控制，控制系统密封在防水盒8中，防水盒8可设置在救生艇9上任意位置，优选设置在支撑架4上。
控制系统包括单片机控制器、A/D转换模块、平衡检测器和电源模块，左电机1和右电机2、单片机控制器、A/D转换模块、平衡检测器依次电连接，单片机控制器和电源模块电连接。单片机控制器优选DSP2812型，因为DSP2812 的信号传输品质高并拥有16通道AD数据采集器。平衡检测器包括加速度传感器和角度传感器，角度传感器优选为电子陀螺仪。A/D转换模块包括依次电连接的阻抗变换器(用于匹配阻抗)、信号放大器(采用两级的三极管将信号放大)、滤波器(过滤杂波)和A/D转换器(将模拟信号转换为数字信号)。电源模块由2块12V锂电池串联提供24V电能，经过DC/DC转换后为各个电路供电。平衡检测器用于检测救生艇的状态参数(主要为救生艇的惯性值和角度值)，并将检测参数经A/D转换模块转换后传送给单片机控制器。
本实施例的工作原理为：救生艇出发执行工作前，将外挂式救生艇自平衡装置安置在救生艇两侧，此时控制系统也安装到了救生艇的两侧。当救生艇停靠在准备作业的区域时，开启装置电源，控制系统将根据螺旋桨3位置的和当地水域情况，根据模糊算法自学习得出PID最优KP、KI和KD值(如果作业区域水域环境与救生艇下水时水域环境相似这一步骤也可以提前完成)，其中KP 为比例调节系数，KI为积分调节系数，KD为微分调节系数。完成上述工作后，当船体发生倾斜的时候，平衡检测器开始工作，加速度传感器将水面波浪产生的加速度参数传送给单片机控制器，同时角度传感器将救生艇的X轴、Y轴和 Z轴的角度参数(θ、γ、δ)(如图9所示)也传送给单片机控制器。单片机控制器根据最优的计算公式融合加速度参数和角度参数计算出左电机1和右电机2需要提供的扭矩和方向，进而得出左电机1和右电机2的转速值，单片机控制器通过控制左电机1和右电机2的旋转，进而对抗波浪造成的救生艇漂移和救生艇重心偏移产生的非平衡状态，使救生艇重新恢复平衡。在作业完成后关闭装置电源，以节省电量。
本实施例公开的平衡检测器通过检测救生艇的状态参数(主要为角度和加速度)，并将检测参数经A/D转换模块传送给单片机控制器，单片机控制器根据检测参数并进行PID运算后，控制左电机1和右电机2朝向相反的方向旋转，进而带动螺旋桨3转动，在反作用力的作用下，螺旋桨3可为救生艇提供与倾翻方向相反的扭矩，实现了使救生艇重新达到平衡的技术效果，减少救生艇翻船的风险。且本实施例的螺旋桨3未置于水中，利用的是空气反作用力，减少了螺旋桨3受阻产生的电机损耗。本实施例还具有设备轻便、小巧、易安装拆卸的优点。
实施例2：如图5所示，本实施例作为实施例1的进一步改进，工作原理与实施例1相同，具有实施例1的全部技术效果。改进之处在于：左电机1和右电机2均为两个，两个左电机1分别设置在救生艇9左侧的前后两端，两个右电机2分别设置在救生艇9右侧的前后两端。以增加对救生艇的扭矩，更好地平衡救生艇。
需要说明的是：
支撑架4的安装方式不限于吸盘5安装，支撑架4末端也可设置一安装板6，并在救生艇9上预设安装支架7，使安装板6与安装支架7通过螺栓连接。此种安装方式相对于吸盘5而言更牢固。左电机1和右电机2的螺旋桨3的旋转轴线也可以垂直或倾斜设置，以使螺旋桨3获得最佳的力臂。受限于电池电量，救生艇在行进的过程中，装置不启动。若电量充足，在救生艇行进的过程中本实施例的外挂式救生艇自平衡装置也可辅助救生艇保持平衡。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：包括分别设置在救生艇两侧的左电机和右电机，所述左电机和所述右电机分别驱动一螺旋桨转动为所述救生艇提供抗倾翻扭矩，所述左电机和所述右电机均由控制系统控制；所述控制系统包括单片机控制器、A/D转换模块、平衡检测器和电源模块，所述左电机和所述右电机、所述单片机控制器、所述A/D转换模块、所述平衡检测器依次电连接，所述单片机控制器和所述电源模块电连接，所述平衡检测器检测所述救生艇的状态并将检测参数经所述A/D转换模块传送给所述单片机控制器。
2.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述左电机和所述右电机在所述救生艇的两侧对称设置，所述左电机和所述右电机的螺旋桨的旋转轴线水平或垂直设置。
3.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述左电机和所述右电机均为直流电机。
4.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述左电机和所述右电机分别固定在一支撑架的顶端，所述支撑架末端设有一吸盘，所述吸盘吸附在所述救生艇上。
5.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述左电机和所述右电机分别固定在一支撑架的顶端，所述支撑架末端设有一安装板，所述救生艇上预设有安装支架，所述安装板与所述安装支架通过螺栓连接。
6.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述平衡检测器包括加速度传感器和角度传感器。
7.根据权利要求6所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述角度传感器为电子陀螺仪。
8.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述A/D转换模块包括依次电连接的阻抗变换器、信号放大器、滤波器和A/D转换器。
9.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述控制系统密封在防水盒中，所述防水盒设置在所述救生艇上。
10.根据权利要求1所述的外挂式救生艇自平衡装置，其特征在于：所述左电机和所述右电机均为两个，两个所述左电机分别设置在所述救生艇左侧的前后两端，两个所述右电机分别设置在所述救生艇右侧的前后两端。
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