CN108674622A - 一种船用太阳能风帆的智能控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船用太阳能风帆的智能控制器及控制方法，用于控制风帆攻角与风帆姿态。该智能控制器包括太阳能风帆、滚珠丝杆及配套齿轮齿条、直流减速电机、电机驱动器，风帆起落装置，其特征是还包括正交编码器、行程开关、风速仪、风向仪、辐照传感器、GPRS模块、GPS模块以及微控制装置。本发明通过实时采集水上环境参数，查询当地气象历史数据，由智能控制器中的算法决策输出至电机驱动器，驱动直流减速电机控制风帆收放和帆角调节。本发明可以实现风能和太阳能的高效最优利用。

Description

一种船用太阳能风帆的智能控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及控制器领域，具体地说是涉及一种船用太阳能风帆的控制器。

背景技术

我国在风力助航方面研究起步较晚。在20世纪80年代，我国逐步展开对风力助航技术的研究并取得了不错的成绩。1985年至2010年，武汉水运工程学院(现武汉理工大学)、708研究所和711研究所、中远集团都先后研制出风帆助推船。但自此以后，国内对风力助航的研究几乎处于停滞状态，截至目前，仍鲜有相关报道。

已有技术中，中国船舶及海洋工程设计研究院等科研院所、高校都在积极开展或关于太阳能船舶的研制，并建造出了一些太阳能动力小艇。但大多不能实现对风、光的准确预测和感知，无法通过控制太阳能风帆的姿态，最大限度地利用风能和光能。目前关于太阳能风帆助航控制器的研究设计较少，且主要集中于风帆最佳攻角控制方案的研究，基本没有在太阳能风帆姿态控制领域较为深入的研究，本发明将太阳能与风能的助航效果相结合，以较为简单的控制方式实现对两种能量的高效利用。具有一定的经济潜力与节能价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种船用太阳能风帆的智能控制器及控制方法，以克服上述现有技术对风能和光能利用能力不足的缺陷。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的太阳能风帆的智能控制器，包括太阳能风帆、滚珠丝杆及配套齿轮齿条、直流减速电机、电机驱动器，风帆起落装置，其特征是还包括正交编码器、行程开关、风速仪、风向仪、辐照传感器、GPRS模块、GPS模块以及微控制装置，其中：齿轮与太阳能风帆通过螺纹加固并与齿条啮合；齿条固定在丝杆电机式滑轨上，滑轨的一端与第一直流减速电机相连，通过此电机驱动与太阳能风帆相连的滚珠丝杆，使齿条移动进而控制太阳能风帆帆翼的风向追踪；滚动圆筒内部通过焊接结构与滑轨相连，滚动圆筒外部与船顶凹槽接触并与第二直流减速电机相连，驱动风帆所在圆筒，增加运动件运行时的稳定性，最后由固定装置固定；正交编码器和行程开关与微控制装置的输入IO端口电连接；微控制装置的输出IO端口与电机驱动器电连接；GPRS模块、GPS模块、风速仪、风向仪和辐照传感器，其输入输出端分别与微控制装置的双向IO口电连接。

所述微控制装置包括CPU、模数转换器、定时器和串口模块，其中：模数转换器的输入端与辐照传感器电连接；定时器输入端与正交编码器输出端电连接；串口模块与风速仪和风向仪电连接，CPU通过导线与上述模块相连。

所述的固定装置由圆管座和滑动卡环组成，其中：圆管座位于圆管下部，支撑圆管；滑动卡环内嵌在圆管座内，与圆管配合，减少圆管转动时的摩擦并进一步限制圆管，使其只能做轴向的旋转运动。

本发明提供的船用太阳能风帆的智能控制方法，包含以下步骤：

S1，计算分析时间到，开始运行本函数；

S2，通过GPRS模块请求风速、风向预报值；

S3，对整个计算分析周期内实测的风速、风向、辐照功率进行滤波处理；采取的滤波方式是算数平均滤波法，通过周期内采样的若干个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算其数据的算数平均值，以消除噪声带来的误差；

S4，通过预报数据计算第一未来风能，通过实测数据计算第二未来风能、当前角风能、未来光能；

S5，通过比较两个未来风能的差值，判断当前风能的稳定情况；风能较稳定的情况下，将第一未来风能带入计算，风能不稳定的情况下，将第二未来风能带入计算；

S6，执行扬帆状态阈值算法，或执行收帆状态阈值算法。

上述方法步骤S6中，在执行扬帆状态阈值算法过程中，包括以下步骤：

a.计算出只调节风帆角度的第一直流减速电机位置；

b.计算未来光能；

c.计算未来风能；

d.通过两个嵌套的判断得出结论，给电机驱动器相应的控制信号。所述两个嵌套的判断过程是：判断未来光能是否大于未来风能且未来光能大于当前风能，是则控制第二直流减速电机完成收帆；不是则进行内层判断：是否满足未来风能大于当前风能且未来风能大于未来光能，是则控制第一直流减速电机调节帆向角，否则直流减速电机不做相应动作。

上述方法步骤S6中，在执行收帆状态阈值算法过程中，包括以下步骤：

a.计算如果控制太阳能风帆处于扬帆状态下的第一直流减速电机位置；

b.计算未来风能；

c.通过判断式做出判断，给电机驱动器相应的控制信号。

本发明突破性的将太阳能风帆作为研究对象，通过控制风帆的姿态，实现将两种能量最大化利用。在之前的研究中，绝大多数风帆能量利用只考虑风力的助航作用，都未将风光结合利用，讨论利用两种能量的控制器实现。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

其一.节能效果好：

本发明设计的一种船用太阳能风帆智能控制器，依据船舶的状态和环境参数，自适应控制风帆攻角和风帆的起落，从而实现两种能量的高效利用。这种船用太阳能风帆的智能控制器可以极大提升风力辅助效果、增大光能利用率。与传统单纯的风帆控制系统相比，本发明节能效果非常明显。

其二.智能的姿态决策系统：

本发明设计的智能姿态决策系统，采取预测和实时检测的手段，通过设定的算法计算给出最优的控制方式，满足在周围环境频繁变化条件下姿态稳定和较高的能效收益的要求。

其三.可减少对不可再生能源的消耗，环保效益明显。

附图说明

图1是本发明一种船用太阳能风帆的智能控制器的结构框架图。

图2是电路连接原理图。

图3是整体控制示意图。

图4是控制主函数示意图。

图5是阈值算法1流程图。

图6是阈值算法2流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但并不局限于下面所述的内容：

本发明提供的一种太阳能风帆的智能控制器，用于控制风帆攻角与风帆姿态。如图1和图2所示：该智能控制器包括太阳能风帆、滚珠丝杆及配套齿轮齿条、直流减速电机1(后称电机1)和直流减速电机2(后称电机2)、电机驱动器、正交编码器、行程开关、风速仪、风向仪、辐照传感器、GPRS模块、GPS模块以及微控制装置，其中：齿轮与太阳能风帆通过螺纹加固并与齿条啮合；齿条固定在滑轨(丝杆电机式)上，滑轨的一端与直流减速电机1相连，通过电机1控制齿条的移动进而控制帆翼的风向追踪；滚动圆筒内部通过焊接结构与滑轨相连，外部与船顶凹槽接触并与电机2相连，增加运动件运行时的稳定性，最后由固定装置固定。正交编码器和限位开关与微控制装置的输入IO端口电连接；微控制装置的输出IO端口与电机驱动器电连接；GPRS模块、GPS模块、风速仪、风向仪和辐照传感器，其输入输出端分别与微控制装置的双向IO口电连接；直流减速电机1驱动与太阳能风帆相连的滚珠丝杆，直流减速电机2驱动风帆起落装置。

所述电机驱动器装在电机的一侧，是控制直流减速电机的执行机构，即微控制装置通过输出IO端口将PWM信号发送到电机驱动器，使得直流减速电机做出相应响应。

所述GPRS模块装在微控制器所在电路板，在微控制装置的控制下，GPRS模块与天气预报接口实现连接，每个计算分析周期获取一次风速风向数据，指导微控制装置对风能的预测。

所述GPS模块装在微控制器所在电路板，在微控制装置的控制下，通过卫星授时和获取的地理位置信息，用采集的到辐照信息准确计算光能。

所述正交编码器为现有技术，可以采集电机当前旋转的角度信息。

所述行程开关为现有机构，可以实现对电机位置的简单反馈，并实现控制。

所述风向仪为现有技术，可以采集当前环境下的风向。

所述风速仪为现有装置，可以采集当前环境下的风速。

所述辐照传感器为现有装置，可以采集在一定波长范围内的太阳总辐射。

所述微控制装置，包括CPU、模数转换器、定时器和串口等模块单元，其中：所述模数转换器，其输入端与辐照传感器电连接；定时器模块输入端与编码器输出端电连接；串口模块与风速仪和风向仪电连接。

所述微控制装置可以采用ST公司基于Cortex-M3内核的STM32F103ZET6微控制器，如图2所示，主要参数有：64KB SRAM、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、5个串口、3个12位ADC以及112个通用IO口。

本发明提供的一种船用太阳能风帆的智能控制器，能够实现预测环境风能、实时监测风速和风向、实时监测太阳辐射强度。通过下述控制算法可以实现对未来一段时间能量收益的预测，通过智能阈值算法，将控制信号输出至电机驱动器，驱动直流减速电机控制风帆收放和帆角调节，使得船舶对风能和光能的综合利用率实现最大化，实现风帆姿态的决策，最大限度利用风光能量。

所述控制算法为本发明的核心部分，其控制算法为：

在本控制算法中，定义三个周期：采样周期，计算分析周期，PID控制周期。采样周期为风速仪、风向仪、辐照传感器的采样周期；计算分析周期由若干个采样周期所组成，为控制主函数的执行周期；PID控制周期为电机进行PID调节的周期。

1.控制主函数如图4所示，其计算的流程如下：

a.计算分析时间到，开始运行主函数；

b.通过GPRS模块请求风速、风向预报值；

c.对整个计算分析周期内实测的风速、风向、辐照功率进行滤波处理。采取的滤波方式是算数平均滤波法，通过周期内采样若干个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算其个数据的算数平均值，以消除噪声带来的误差；

d.通过预报数据计算未来风能1(后称风能1)，通过实测数据计算未来风能2(后称风能2)、当前角风能和未来光能；

e.通过比较风能1与风能2的差值，判断当前风能的稳定情况。风能较稳定的情况下，将风能1带入计算，风能不稳定的情况下，将风能2带入计算；

f.当前为扬帆状态执行阈值算法1，当前为收帆状态执行阈值算法2。

在阈值算法中，对各能量作如下约定：E_未来光能为去掉姿态变换能量损耗的未来可获得的光能；E_未来光能为去掉姿态变换能量损耗的未来可获得风能m1为电机1在运行过程中损耗的能量；m2为电机2在运行过程中损耗的能量。

2.阈值算法1如图5所示，其计算流程如下：

a.计算出风帆只调节角度的直流减速电机1位置；其方法是：通过控制主函数中经过滤波的风向值，结合特定机构的传动系数计算求得。

b.计算E_未来光能；其方法是：通过调用存储在控制器中的历年光照数据，结合通过GPRS获取的天气情况，进行计算。

c.计算E_未来风能；其方法是：使用通过GPRS获取到的有关风力的天气预报数据进行计算。

d.通过两个嵌套的判断得出结论，给电机驱动器相应的控制信号。

3.阈值算法2如图6所示，其计算流程如下：

a.计算如果完成扬帆的直流减速电机1位置；

b.计算E_未来光能；其方法是：通过调用存储在控制器中的历年光照数据，结合通过GPRS获取的天气情况，进行计算。

c.通过判断式做出判断，给电机驱动器相应的控制信号。

基于上述，这种船用太阳能风帆的智能控制器，可以实现对未来一个计算分析周期内的风能和光能进行较为精确的测算，通过给定相应的阈值，实现更有益能量利用的风帆姿态调整，本发明提供了一种能够根据风速、风向及太阳辐照功率进行调节的太阳能风帆控制器。

本发明提供的太阳能风帆的智能控制器，通过实时采集水上环境参数，查询当地气象历史数据，由智能控制器中的算法决策输出至电机驱动器，驱动直流减速电机控制风帆收放和帆角调节，使得船舶对风能和光能的综合利用能力实现最大化，具体工作过程是：

首先通过GPRS模块收集当前水域的未来天气信息，通过GPS、风速仪、风向仪和辐照传感器获取当前水域实时信息，进行周期检测。当达到计算分析周期时，微控制装置调用控制主函数和相应阈值算法，给出最优控制方式。通过与电机驱动器所连接的输出IO，将控制信号进行输出，实现对风帆的姿态和攻角的调节。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。上述仅本发明较佳可行的实施例，非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太阳能风帆的智能控制器，包括太阳能风帆、滚珠丝杆及配套齿轮齿条、直流减速电机、电机驱动器，风帆起落装置，其特征是还包括正交编码器、行程开关、风速仪、风向仪、辐照传感器、GPRS模块、GPS模块以及微控制装置，其中：齿轮与太阳能风帆通过螺纹加固并与齿条啮合；齿条固定在丝杆电机式滑轨上，滑轨的一端与第一直流减速电机相连，通过此电机驱动与太阳能风帆相连的滚珠丝杆，使齿条移动进而控制太阳能风帆帆翼的风向追踪；滚动圆筒内部通过焊接结构与滑轨相连，滚动圆筒外部与船顶凹槽接触并与第二直流减速电机相连，驱动风帆起落装置，增加运动件运行时的稳定性，最后由固定装置固定；正交编码器和行程开关与微控制装置的输入IO端口电连接；微控制装置的输出IO端口与电机驱动器电连接；GPRS模块、GPS模块、风速仪、风向仪和辐照传感器，其输入输出端分别与微控制装置的双向IO口电连接。

2.根据权利要求1所述的船用太阳能风帆的智能控制器，其特征是微控制装置包括CPU、模数转换器、定时器和串口模块，其中：模数转换器的输入端与辐照传感器电连接；定时器输入端与正交编码器输出端电连接；串口模块与风速仪和风向仪电连接，CPU通过导线与上述模块相连。

3.根据权利要求1所述的船用太阳能风帆的智能控制器，其特征是由固定装置由圆管座和滑动卡环组成，其中：圆管座位于圆管下部，支撑圆管；滑动卡环内嵌在圆管座内，与圆管配合，减少圆管转动时的摩擦并进一步限制圆管，使其只能做轴向的旋转运动。

4.一种船用太阳能风帆的智能控制方法，其特征是包含以下步骤：

S1，计算分析时间到，开始运行本函数；

S2，通过GPRS模块请求风速、风向预报值；

S3，对整个计算分析周期内实测的风速、风向、辐照功率进行滤波处理；采取的滤波方式是算数平均滤波法，通过周期内采样的若干个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算其数据的算数平均值，以消除噪声带来的误差；

S4，通过预报数据计算未来风能(1)，通过实测数据计算未来风能(2)、当前角风能、未来光能；

S5，通过比较两个未来风能的差值，判断当前风能的稳定情况；风能较稳定的情况下，将未来风能(1)带入计算，风能不稳定的情况下，将未来风能(2)带入计算；

S6，执行扬帆状态阈值算法，或执行收帆状态阈值算法。

5.根据权利要求4所述的船用太阳能风帆的智能控制方法，其特征是在执行扬帆状态阈值算法过程中，包括以下步骤：

a.计算出只调节风帆角度的第一直流减速电机位置；

b.计算未来光能；

c.计算未来风能；

d.通过两个嵌套的判断得出结论，给电机驱动器相应的控制信号。

6.根据权利要求5所述的船用太阳能风帆的智能控制方法，其特征是所述两个嵌套的判断过程是：判断未来光能是否大于未来风能且未来光能大于当前风能，是则控制第二直流减速电机完成收帆；不是则进行内层判断：是否满足未来风能大于当前风能且未来风能大于未来光能，是则控制第一直流减速电机调节帆向角，否则直流减速电机不做相应。

7.根据权利要求4所述的船用太阳能风帆的智能控制方法，其特征是在执行收帆状态阈值算法过程中，包括以下步骤：

a.计算如果控制太阳能风帆处于扬帆状态下的第一直流减速电机位置；

b.计算未来风能；

c.通过判断式做出判断，给电机驱动器相应的控制信号。