CN109878655B

CN109878655B - 一种贯通流自平衡管道式减摇装置

Info

Publication number: CN109878655B
Application number: CN201811236840.2A
Authority: CN
Inventors: 周广利; 陈帅; 郭春雨; 刘洋; 徐鹏; 佘文轩; 王鹏; 蔡国彬
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109878655A

Abstract

本发明属于机器人控制领域，具体涉及一种贯通流自平衡管道式减摇装置，由自平衡控制系统、船底纵向左右舷两个管道、船中横向前后两个管道以及滑道组成：自平衡控制系统由第一电机、第一传感器、第二电机、第二传感器、第一柔性摆动管道、第二柔性摆动管道、进水口管道、出水口管道组成；进水口管道与第一柔性摆动管道相连接，连接处为可转动节点，第二传感器安装在进水口管道处，第二电机安装在进水口管道与第一柔性摆动管道的管道连接处；本发明的一种贯通流自平衡管道式减摇设计，利于自行调整船舶的任意航行浮态，也克服了美国贯通流系统无法实现船舶重心在船舶横向偏移之后的调整，实现了自平衡机器人在船舶领域的运用。

Description

一种贯通流自平衡管道式减摇装置

技术领域

本发明属于机器人控制领域，具体涉及一种贯通流自平衡管道式减摇装置。

背景技术

机器人自平衡技术日益成为各国研究的热点，它能通过感知自身的状况发出命令，自主调节自身平衡状态，具备工作环境的感知和自我适应、运动的实时决策以及自身行为控制等功能，它具有很高的军事、商业价值。

目前，在国内主要是在两轮自平衡机器人研究比较深入，而在船舶领域对自平衡的研究较浅，尤其是对无压载水船舶的贯通流管道，特别针对无人艇，船体的自行调整浮态尤为重要。本发明主要通过调整纵、横贯通流管道的位置来调整纵倾、横倾等浮态。

综上所述，现有技术在船舶领域对自平衡的研究较浅，但对于水上航行器来说，船体的自平衡调整尤其重要，因此研究一种控制船体姿态的装置很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了使无压载水船舶能自行调整航行浮态，既可以避免压载水在不同海域的转移，又可以自行控制航行状态，而提供的一种贯通流自平衡管道式减摇装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种贯通流自平衡管道式减摇装置，由自平衡控制系统、船底纵向左右舷两个管道、船中横向前后两个管道以及滑道组成：自平衡控制系统由第一电机6、第一传感器7、第二电机11、第二传感器12、第一柔性摆动管道2、第二柔性摆动管道4、进水口管道1、出水口管道5组成；进水口管道1与第一柔性摆动管道2相连接，连接处为可转动节点，第二传感器12安装在进水口管道1处，第二电机11安装在进水口管道1与第一柔性摆动管道2的管道连接处；出水口管道5与第二柔性摆动管道4相连接，连接处为可转动节点，第一传感器7安装在出水口管道5处，第一电机6安装在出水口管道5与第二柔性摆动管道4的管道连接处；第一柔性摆动管道2和第二柔性摆动管道4与主管道3相连，连接处为可转动节点；自平衡控制系统安装在船舶重心位置。

所述滑道由第一滑道8、第二滑道9、第三滑道10三部分组成；主管道3依次与第一滑道8、第二滑道9、第三滑道10相连，连接处为不可转动节点。

所述船底纵向左右舷两个管道安装在船底，固定在横向滑道上；所述船中横向前后两个管道安装在水线与纵向管道之间，固定在纵向滑道上；所述船底纵向左右舷两个管道和所述船中横向前后两个管道中充满所在航行区域的海水。

本发明的有益效果在于：

本发明的一种贯通流自平衡管道式减摇设计，利于自行调整船舶的任意航行浮态，也克服了美国贯通流系统无法实现船舶重心在船舶横向偏移之后的调整，实现了自平衡机器人在船舶领域的运用；同时贯通流管道既可以阻止压载水中的非本土海洋生物入侵，又无需使用昂贵的杀菌设备。

附图说明

图1是本发明安装在船舶的水平示意图；

图2是某肋位横剖面示意图；

图3是纵向贯通流管道结构简图；

图4是横向贯通流管道结构简图；

图5是横倾15度自平衡前某肋位横剖图；

图6是横倾15度自平衡后某肋位横剖图；

图7是自平衡控制系统原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图中：1-进水口管道，2-第一柔性摆动管道，3-主管道，4-第二柔性摆动管道，5-出水口管道，6-第一电机，7-第一传感器，8-第一滑道，9-第二滑道，10-第三滑道，11-第二电机，12-第二传感器；

本发明的目的在于提供一种贯通流自平衡管道式减摇装置，主要包括自平衡控制系统、设置在船底纵向左右舷两个管道、船中横向前后两个管道以及滑道组成，其管道为可运动结构。所述的自平衡控制系统由8个传感器、8个电机和自平衡控制中心组成。所述的管道装置由进水口管道、两个柔性摆动管道、主管道、两个传感器、两个电机、出水口管道组成。所述滑道安装在主管道靠近柔性摆动管道两侧及中部位置。自平衡控制中心设置船舶重心位置处。所述柔性摆动管道与主管道相连；所述主管道与滑道相连，主管道可沿滑道横向、纵向运动，滑道结构加强；所述传感器安装在进、出水口固定管道处；所述电机安装在进、出水口管道与柔性摆动管道连接处。所述纵、横通道数由具体船型的压载舱容积、船底布置以及管道大小自行设计组数，本专利对纵、横向各一组作为说明。本发明的一种贯通流自平衡管道式减摇装置设计，自平衡控制系统利于实现对船舶航行纵、横倾自平衡调整，无压载水贯通流管道可克服传统压载水船舶的非本土海洋生物入侵，又无需使用昂贵的杀菌设备。

1.一种贯通流自平衡管道式减摇装置，主要包括自平衡控制系统、船底纵向左右舷两个管道、船中横向前后两个管道以及滑道组成。

自平衡控制系统用传感器、电机与管道相连，传感器检测其船舶纵、横倾浮态，电机驱动柔性可摆动管道运动。纵向管道设置在船底，可沿横向滑道运动；横向管道安装在水线与纵向管道之间，可沿纵向滑道运动。管道充满航行区域海水来代替传统压载水，自平衡控制中心安装在船舶重心位置。

自平衡控制系统由电机提供动力来控制柔性摆动管道，电机是整个控制系统的唯一执行机构，对其进行了线性建模简化了整个控制系统的数学模型，同时也引入自平衡机器人相关算法来控制管道在滑道间的运动调整纵、横倾。

传感器安装进、出水口位置，电机安装在进、出水口管道与柔性摆动管道连接处。电机可驱动柔性管道带动主管道运动。所述纵、横通道数由具体船型的压载舱容积、船底布置以及管道大小自行设计组数，本专利对纵、横向各一组作为说明。

安装在主管道靠近柔性管道两侧和管道中部位置处。

本发明涉及一种自动控制装置，尤其涉及一种贯通流自平衡管道式减摇装置，属于机器人控制领域。

本发明的目的是这样实现的：

一种贯通流自平衡管道式减摇装置，包括自平衡控制系统、纵向两个管道、横向两个管道以及滑道。管道装置主要由进水口管道、两个柔性摆动管道、主管道、两个传感器、出水口管道组成。自平衡控制系统主要由8个传感器、8个电机和自平衡控制中心来实现，传感器分布在4个管道的进、出水口位置，电机安装在柔性摆动管道与进、出水口管道连接处。船底左右舷管道外设置有横向滑道，船中横向两个管道外设置有纵向滑道；所述滑道与管道都需扶强材对其结构加强；所述柔性摆动管道是为了调整主管道位置，管道长度不必太长；所述各类型管道接口处需结构加强。

本发明还包括这样一些特征：

1.自平衡控制系统由电机来提供动力来控制柔性摆动管道，电机是整个控制系统的唯一执行机构，对其进行了线性建模简化了整个控制系统的数学模型，同时也引入相关算法来控制管道在滑道间的运动来调整纵、横倾。

2.传感器安装在进、出水口位置，电机安装在进、出水口管道与柔性摆动管道连接处。电机可驱动柔性管道带动主管道运动。

3.滑道安装在主管道靠近柔性管道两侧及管道中部位置处，所述自平衡控制中心安装船舶重心位置处。

本发明的一种贯通流自平衡管道式减摇设计工作原理是：

(1)无压载水贯通流管道设计原理：贯通流管道代替传统压载水舱，严格来说，该设计并不是“纯”无压载水船舶，而是采用“活水”达到压载的目的。具体就是在其水线下布置数组纵、横向管道，海水从进水口管道进入，出水口管道排出，进、出水口位置固定形成稳定的流场。管道流动缓慢的海水始终充满以取代压载水的作用。由于采用的始终是当地海域的海水，因此不会造成外来物入侵这一情况。(2)自平衡控制系统工作原理：该控制系统建立了船舶航行过程的运动学模型，用加速度计、平衡仪、陀螺仪等惯性传感器和里程计构成的多传感器系统构成了船舶的姿态检测系统。通过传感器检测航行浮态，该系统通过对电机发送指令而达到控制主管道的目的。本发明采用改变主管道的位置来控制航行姿态，本发明实现了对自平衡机器人在船舶领域的运用。

一种贯通流自平衡管道式减摇设计，主要包括滑道、进水口管道、出水口管道、柔性摆动管道、主管道、传感器、电机、自平衡控制中心。

滑道与所有管道上都附有加强筋或扶强材；主管道与柔性摆动管道相连，连接处为摆动节点，在主管道前、中、后处设置三个滑道同时也作为支撑；柔性摆动管道受电机控制，进、出水口管道上装有传感器，柔性摆动管道与进、出水口管道连接，连接处为可摆动节点。

具体的工作过程如下：

在进、出水口位置8个传感器共同检测船体的姿态，包括横倾和纵倾，反馈给自平衡控制中心。控制系统经过相关数学模型、智能算法计算，传输指令给柔性摆动管道处的8个电机。电机开始工作，柔性摆动管道能转动180°带动主管道运动，纵向主管道沿着滑道横向运动，横向主管道沿着滑道纵向运动，使船体到达允许航行的平衡状态。

图1是本发明安装在船舶的水平示意图；

图2是某肋位横剖面示意图；

图3是纵向贯通流管道结构简图；

图4是横向贯通流管道结构简图；

图5是横倾15度自平衡前某肋位横剖图；

图6是横倾15度自平衡后某肋位横剖图；

图7是自平衡控制系统原理图；

图中：1.进水口管道，2.柔性摆动管道，3.主管道，4.柔性摆动管道，5.出水口位置，6.电机，7.传感器，8.滑道，9.滑道，10.滑道，11.电机，12.传感器

结合图1本发明安装在船舶的水平示意图、图2本发明安装在船舶某肋位横剖面图、图3纵向贯通流管道结构简图和图4横向贯通流管道结构简图，本发明的贯通流自平衡管道式减摇设计由自平衡控制系统、进水口管道1、柔性摆动管道2、主管道3、柔性摆动管道4、出水口管道5、电机6、传感器7、滑道8、9和10、电机11、传感器12主组成。从图1和图2来看，设置在船底左右舷两个管道、船中横向前后两个管道。舷侧管道在上下安装有滑道。所述纵、横通道数由具体船型的压载舱容积、船底布置以及管道大小自行设计组数，本专利对纵、横向各一组作为说明。

进水口管道1与柔性摆动管道2连接，连接处为可转动节点，所有管道附有加强筋保证其强度；柔性摆动管道2、4与主管道3连接，连接处为可转动节点；主管道3与滑道8、9、10相连，连接处为不可转动节点，主管道可沿滑道横向运动，滑道结构需加强；传感器7、12安装在进、出水口管道1、5处，电机6、11安装在进、出水口管道与柔性摆动管道连接处。

图5和图6展示的是船舶横倾15度自平衡前、后某肋位横剖图，当左右舷传感器检测出横倾15度之后，自平衡控制中心经过船舶运动学模型计算，对电机传输指令来改变管道的位置，船体恢复正浮。

图7展示的是自平衡控制系统原理图，该控制系统建立了船舶航行过程的运动学模型，用加速度计、平衡仪、陀螺仪等惯性传感器和里程计构成的多传感器系统构成了船舶的姿态检测系统。自平衡控制中心通过接收8个传感器的信号来检测船舶姿态，然后对8个电机下达指令改变四个管道的位置来调整船舶浮态。

结合图1至图7，本发明的一种贯通流自平衡管道式减摇设计工作原理是：

船舶正常航行时，整个管道始终都充满海水，自平衡控制中心会接收到进出水口管道1、5处传感器7、12的信号，进一步分析航行浮态，对电机6、11发出指令控制摆动管道2、4转动，带动主管道3运动，滑道8、9、10既能使主管道位置灵活的改变也能提供支撑。左右舷主管道可横向运动，船中横向前后两个主管道可纵向运动，从而能达到自平衡船舶横倾、纵倾。

综上所述：一种贯通流自平衡管道式减摇设计，涉及机器人控制领域，本发明力求实现对船舶航行浮态自平衡调整，本发明的贯通流自平衡管道式减摇设计，包括、进水口管道1、柔性摆动管道2、主管道3、柔性摆动管道4、出水口管道5、电机6、传感器7、滑道8、9和10、电机11、传感器12。本发明设计有自平衡控制系统，可实现对无压载水船舶航行任意浮态自行调整，从而达到安全航行的目的。

Claims

1.一种贯通流自平衡管道式减摇装置，由自平衡控制系统、船底纵向左右舷两个管道、船中横向前后两个管道以及滑道组成，其特征在于：自平衡控制系统由第一电机(6)、第一传感器(7)、第二电机(11)、第二传感器(12)、第一柔性摆动管道(2)、第二柔性摆动管道(4)、进水口管道(1)、出水口管道(5)组成；进水口管道(1)与第一柔性摆动管道(2)相连接，连接处为可转动节点，第二传感器(12)安装在进水口管道(1)处，第二电机(11)安装在进水口管道(1)与第一柔性摆动管道(2)的管道连接处；出水口管道(5)与第二柔性摆动管道(4)相连接，连接处为可转动节点，第一传感器(7)安装在出水口管道(5)处，第一电机(6)安装在出水口管道(5)与第二柔性摆动管道(4)的管道连接处；第一柔性摆动管道(2)和第二柔性摆动管道(4)与主管道(3)相连，连接处为可转动节点；自平衡控制系统安装在船舶重心位置。

2.根据权利要求1所述的一种贯通流自平衡管道式减摇装置，其特征在于：所述滑道由第一滑道(8)、第二滑道(9)、第三滑道(10)三部分组成；主管道(3)依次与第一滑道(8)、第二滑道(9)、第三滑道(10)相连，连接处为不可转动节点。

3.根据权利要求1所述的一种贯通流自平衡管道式减摇装置，其特征在于：所述船底纵向左右舷两个管道安装在船底，固定在横向滑道上；所述船中横向前后两个管道安装在水线与船底纵向左右舷两个管道之间，固定在纵向滑道上；所述船底纵向左右舷两个管道和所述船中横向前后两个管道中充满所在航行区域的海水。