CN109808863A - 小型双推无人艇操舵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型双推无人艇操舵系统。该操舵系统包括一个步进电机，一个联轴器，一个螺杆，一个轴端端盖，一个螺套，一个中间连杆，一个并联连杆，两个螺旋桨推进器，两个角度传感器，一个底层控制箱。通过对螺杆、螺套的使用可将电机转动转化为平动，随后的滑块曲柄将螺套的平动转化为连杆的转动，再通过并联机构的作用，可将该连杆的转动，再同步的转变为左右双舵角的转动控制。在机械结构上实现了双舵角的同步控制，让双推控制船体可以更加灵活；并且可在螺杆、螺套出限制整体结构的过限位问题，在力传输的前端限制问题的发生，避免对后续系统的破坏。同时，该系统的控制元器件只有单个步进电机，操作便利，控制简单；并且该系统的控制方式采用闭环或半闭环控制，具有稳定性高，可操作性强，安全性能好的特点。

Description

小型双推无人艇操舵系统

技术领域

该发明属于无人自主小型艇的舵角控制领域，具体设计一种小型双推无人艇操舵系统，是一种使用步进电机驱动滑块曲柄并联机构控制舵角的自动操舵系统。

背景技术

近些年随着国家海洋战略的发展，能够在自主航行中执行一些危险或者不适合有人船只执行的任务的无人水面艇得到了广大开发和使用。其中，考虑到单艇的建造价格和无人操控的灵活性，一般无人艇多为中小型无人艇。在无人艇面向各种需求的同时，为了满足的更高的航速和动力性能的要求，双喷水推进或双螺旋桨推进的小型无人艇由此而生。

目前，大多数的小型双推无人艇采用的舵角控制是差速控制，将舵角控制指令转化成两个推进器的转速控制，要求实现大角度转向时，其中的一个推进器会停转或反转以此产生转向的扭矩。然而，在推进器推力最大推力恒定的情况下，要使得船体操控性更加的灵活、最大转弯半径尽可能的小，两个推进器在船尾的安装的横向距离要尽可能的远，这船体的制造和器件的布置限定了很多条件，并且所取得的转向效果提升并不大，这就要求小型双推无人艇也能实现双舵角同步性的控制动作。

参考单推型无人艇的操舵控制，在单喷水推进小型无人艇中，操舵机构一般为油泵为动力源，利用三位四通电磁换向阀来切换油路流向来控制液压缸的伸缩运动，从而通过连杆机构带动喷嘴左右运动，可产生较大的转向力，但该套液压系统多为国外代理进口，价格昂贵，产品供应周期长，对于普通简易制作的小型无人艇并不实用；在单螺旋桨推进小型无人艇中，其操舵机构采用能够将不同占空比的PWM转化成不同转角的小型舵机来控制整体螺旋桨的转动，操作较为简单，但不能产生较大的转向力，对于双推而言，双舵的同步性动作只能依靠电控来确保，其安全性和可靠性较为差些。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种小型双推无人艇操舵系统，对于小型双推型无人艇可实现灵活性操作，能拥有良好的转弯性能好，避免昂贵的液压泵、电磁换向阀的使用，可实现双舵角的同步动作，减少使用设备价格，简化转舵过程的操控动作。

为了达到上述要求，本发明的构思是：

本发明设计的自动操舵机构能够在机械结构上满足双舵角的同步动作，并通过螺纹长度对转动舵角进行限位。采用一个自带编码器位置反馈和减速器的步进电机来驱动通过联轴器刚性连接的丝杆，将易控制的电机回转运动转化螺杆带动螺套的纵向直线运动。随后再利用滑块曲柄机构将直线运动转化成小角度的舵角转动，考虑到船体内空间的有限性，四连杆机构必须要排布紧凑，不可占据过大空间。为此，可尽量在可控舵角的角度范围内减少滑块与曲柄中间连杆的使用长度，步进电机和螺套的安装需尽量靠近在船体内部某一侧位置。最后，为了在机构上实现双推进器舵角的同步控制以及两舵角的限位保护，采用将四连杆上的从动件曲柄改造成并联机构，可同步的带动两个舵角的转动，同时限定滑块上丝杆上螺纹的长度，当舵角达到结构上限定的最大角度时，螺杆也刚好达到极限位置，此时，若再继续转动步进电机，电机会因扭矩过大而报错，电机而产生的过大扭矩力将被限制在螺杆螺套处，从而可以保护后续机构不会因过限位而与船体产生挤压。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种使用步进电机驱动滑块曲柄并联机构的自动操舵系统，包括一个步进电机，一个联轴器，一套组合的螺杆、螺套，一个轴端盖筒，一个中间连杆，一个并联连杆，两个螺旋桨推进器—左舵、右舵，两个舵角指示器，一个放置电机驱动器和微型处理器底层控制箱。其特征在于：步进电机与船体保持固定关系，螺套、中间连杆、并联连杆、左舵和右舵两两之间相互铰接，两舵角指示器分别固定安装在左舵和右舵上，底层控制箱与步进电机和两舵角指示器电气连接。

该整体的结构设计较为简洁，机械构件使用较少，故造价相对实惠。只要步进电机为控制执行件，在系统的前端处理了机构的限幅问题，避免的后续危害。滑块曲柄并联结构将转动舵角的力矩可均分到左右推进器上，两舵角可同步的转动。并且，所有的构件之间均为刚性连接，不存在较大的挠性器件，因此电机的转动角与左右舵角的转动角存在非常明确映射的关系，对双舵角的精准小角度控制也可实现。

步进电机可根据控制策略的不同采用相对定位控制或绝对定位控制，其产生的高速小扭矩的转动再通过减速器转换成较低速大扭矩的转动。螺杆与减速器的输出轴端通过弹性联轴器相连，吸收电机因突然启动停止或加减速给后续系统带来的冲击。

在螺套上安装中间可通过螺杆无螺纹段的轴端盖筒，对螺杆和螺套的螺纹连接段灌上润滑脂，再在轴端盖筒套加上毛毡对润滑脂密封，允许通过因螺杆与螺套相对运动时产生空气流动。并且限定好的螺套内螺纹的长度，在舵角达到左满舵结构上限定最大角度时，螺杆向外伸出最大，螺杆台阶端刚好达到与轴端盖筒接触，而在舵角达到右满舵结构上限定最大角度时，螺杆向内缩回最大，螺杆的端面也刚好触及到螺套内最里面。因此，每当达到这两个最大角度后，螺杆螺套将会被锁死在该位置，螺套将无法继续运动，进而可以保护后续系统因过限位而带来的损害，同时电机也会因扭矩过大而报错。

螺套作为滑块曲柄结构中的提供直线运动主动件，推动中间连杆产生运动，随后带动后续并联机构的连杆运动。在该连杆的带动下，左右舵角可围绕转轴实现同步转动，并且传递到两舵角上的作用力矩也尽可能相等。在推进器全速工作下，驱动舵角运动需要相当大的力矩，可能超过了单独电机输出轴的最大力矩，而对该滑块曲柄结构的使用，具有力矩放大的作用，可能将电机高速转动时较小的力矩转化为较大力矩来控制舵角的渐变运动。

对于整体系统的控制可实现舵角的闭环控制或半闭环控制，能利用经典的PID控制算法、或现代控制算法对后续的单输入单输出的系统控制。同时，得到实时的反馈数据，能够传送给上层界面显示，提高操舵过程中的安全性。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

作为双舵的自动操舵机构，其构件可在国内普通市场采购，整体搭建价格不高，适用性强，更具有普遍性。

采用滑块驱动并联曲柄运动，在结构上满足了舵角同步性动作的要求，并且对双舵作用力均衡且有较大输出力，也适用于高速大动力的推进使用。在滑块运动上限制舵角的左右幅值，不必担心该结构对舵角产生超限位输出。

采用闭环控制或半闭环控制，控制的精度和可靠性相对更强，更具有安全性，并且运动控制的主动件简单，只需控制步进电机转动到某位置，系统为单输入单输出的刚性系统，电机的转动角与舵角有明确的映射关系。

附图说明

图1是本发明的整体系统结构框架示意图。

图2是操舵机构机械结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。

实施例一：

参见图1和图2，本小型双推无人艇操舵系统，包括：一个步进电机（1），一个联轴器（2），一个螺杆（3），一个轴端端盖（4），一个螺套（5），一个中间连杆（6），一个并联连杆（7），两个螺旋桨推进器—左舵（8）、右舵（9），两个角度传感器—舵角指示器1（10）、舵角指示器2（11），一个放置电机驱动器和微型处理器底层控制箱（12）。其特点在于，对该系统的控制可以采用全闭环的控制手段，首先完成该系统机械构件和舵角指示器的安装，再安装上底层控制箱，完成底层箱到电机的接线和到舵角指示器的电气接线。随后，便可利用微处理对两个舵角传感器的值回读，调整其安装位置使其输出值与真实的舵角相符合；同时，标定出实际的左舵角和右舵角上限值，在软件程序上做好限幅处理。其全闭环控制的思路主要是：对于给定的舵角控制值指令，与当前实际回读的舵角值做差值计算，并进行算法适当放大处理，转换成电机需要转动的步距角的大小，再发送给电机指令转动到需求的角度，随后下一时刻，同样如此处理，采集实际舵角值，将误差值经过算法处理，发送电机转动步距角，循环进行该过程，直到当前实际角度与需求控制角度的误差值在允许范围内，可认为舵角已经达到该需求的控制值。当然，对该闭环控制系统的衡量标准是，控制过程中即使是从左满舵到右满舵的打舵也无超调现象，到达需求控制值得响应要尽可能快，并且对控制值变化得跟随性要好。如此，一个双推无人艇操舵系统才算完整，具有操控便利，执行效果优良的特点。

实施例二：

该实施例相对是实施例一的控制简化版，没有实施例一中的两个舵角传感器（10）、（11），而是利用电机自身的闭环特性构成双推操舵系统的半闭环控制。相同的，在组装好系统机械构件和完成电气接线后，需事先人工控制电机小角度转动到左满舵和右满舵的位置，并对步进电机的原点进行标定和读取满舵位置时电机编码器返回的位置信息。将读取的位置值作为对电机控制值的上限值和下限值，在程序上做好软限位保护。半闭环控制思路如下，定时的发送寻求电机位置的指令，读出当前电机所在位置，再将需求控制的角度值根据标定的信息转化成需求电机转动到的位置，并计算出与当前实际位置的差值，经过算法适当的处理，再发送给电机步距角的控制指令，如此反复，直到达到目标位置。

本发明的工作过程如下：

小型双推无人艇操舵系统在给定控制舵角指令后，传送给控制箱中微处理器，同时微型处理器会对舵角位置信息进行实时采集，并进过适当的控制算法处理，输出给步进电机的步距角控制指令。步进电机接受指令后，将电信号转化为转轴的有规律转动，通过联轴器、螺杆、螺套的作用，将回转运动的转动力转化为直线的运动的推力，随后在通过滑块曲柄的并联机构，将螺套直线运动的推力，均分为两个扭矩来控制两个舵角同步转动。在结构上实现了双舵的同步控制，并可获得较大的转向力，也可使用与高速下的使用。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种小型双推无人艇操舵系统，包括：一个步进电机（1），一个联轴器（2），一个螺杆（3），一个轴端端盖（4），一个螺套（5），一个中间连杆（6），一个并联连杆（7），两个螺旋桨推进器—左舵（8）、右舵（9），两个角度传感器—舵角指示器1（10）、舵角指示器2（11），一个放置电机驱动器和微型处理器底层控制箱（12）。

2.根据权利要求1所述的小型双推无人艇操舵系统，其特征在于：所述步进电机（1）与船体固定连接，螺套（5）与中间连杆（6）、中间连杆（6）与并联连杆（7）、并联连杆（7）与左舵（8）和右舵（9）之间铰接在一起，舵角指示器1（10）和舵角指示器2（11）分别与左舵（8）和右舵（9）固定连接，底层控制箱（12）电连接步进电机（1）和舵角指示器1（10）、舵角指示器2（11）。

3.根据权利要求1所述的小型双推无人艇操舵系统，其特征在于：所述的螺杆（3）、轴端端盖（4）、螺套（5）、中间连杆（6）、并联连杆（7）所采用的原材料是316不锈钢，在均有结构上的强度要求后，还需满足抗海水和盐雾腐蚀的能力。

4.根据权利要求1所述的小型双推无人艇操舵系统，其特征在于：所述的螺杆（3）、轴端端盖（4）、螺套（5）组成的一套丝杆螺母机构，必须采用润滑脂进行润滑，并且轴端套盖（4）内部必须安装毛毡，对润滑脂进行密封，同时允许螺套（5）伸缩时内部空气的流动。

5.根据权利要求1所述的小型双推无人艇操舵系统，其特征在于：所述的底层控制箱（12）采用全密闭防水的箱体，采用金属制品，屏蔽外接干扰；控制箱（12）外部与步进电机（1）、舵角指示器1（10）和舵角指示器2（11）的接线以及设备的供电采用IP66等级以上的防水接头，步进电机（1）、舵角指示器1（10）和舵角指示器2（11）要有海上防溅水、防盐蚀的要求，要以海上长期使用的标准选型。

6.根据权利要求1所述的小型双推无人艇操舵系统，其特征在于：所述的底层控制箱（12）中微型控制器中程序中设置软限位，在程序的整体流程上不可有死循环过程，并且控制器需保留与外接通信的多种通信形式接口，同时控制箱上还有人为操作的按键开关以及旋钮，可在紧急情况下人为介入控制舵角。