CN109911114B - 一种具有三级减震自稳系统的无人船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有三级减震自稳系统的无人船，包括双长浮筒、减震底座、仿猫式连杆型腿部减震结构、六自由度液压自稳装置和船舱，所述双长浮筒上安装四个减震底座，所述仿猫式连杆型腿部减震结构的底端与减震底座连接、顶端与连接桥连接；所述连接桥上安装六自由度液压自稳装置，所述船舱安装在六自由度液压自稳装置上。本发明在无人船应用研究现状的基础上，提出一种具有三级减震系统的无人船设计方案。通过底座减震结构的设计，实现在低振幅浪涌下高速航行；通过仿猫式连杆型腿部减震机构的设计，实现在高振幅浪涌下稳定航行。本发明加入仿生结构设计，通过采用仿猫式连杆型腿部结构作为无人船的四个支架，增加了船体的稳定性和减震效果。

Description

一种具有三级减震自稳系统的无人船

技术领域

本发明涉及无人船领域，尤其涉及一种具有三级减震自稳系统的无人船。

背景技术

无人船作为一种无人操纵的水面机器人，广泛应用于各类水上作业，用于执行相应高风险、繁琐任务，降低工作风险和难度，但现有无人船大多属于中小型船舶，没有完善的减震减摇系统，减震减摇主要依靠舭龙骨实现，舭龙骨可减小40％左右的横摇，而中小型船舶对横摇的阻尼特性较差，导致现有无人船的稳定性不高，水面作业受环境影响较大。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能减小波浪对无人船海上航行的影响，增加无人船航行稳定性的具有三级减震自稳系统的无人船。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有三级减震自稳系统的无人船，采用双体船结构，包括双长浮筒、减震底座、仿猫式连杆型腿部减震结构、六自由度液压自稳装置和船舱，所述双长浮筒上安装四个减震底座，即每个长浮筒上安装两个减震底座；所述仿猫式连杆型腿部减震结构的底端与减震底座连接、顶端与连接桥连接；所述连接桥上安装六自由度液压自稳装置，所述船舱安装在六自由度液压自稳装置上。

所述减震底座包括合金拱形桥A、合金拱形桥B、合金拱形桥C、支撑面和金属橡胶减震器；所述合金拱形桥A和合金拱形桥C分别固定在支撑面上，所述合金拱形桥B的两个底端分别固定在合金拱形桥A和合金拱形桥C上；所述合金拱形桥A与支撑面之间安装金属橡胶减震器，所述合金拱形桥C与支撑面之间安装金属橡胶减震器；所述支撑面安装在舭龙骨上；所述四个减震底座构成第一级减震自稳系统，所述四个减震底座分别两两安装在两个长浮筒的舭龙骨上；所述合金拱形桥B的顶部通过桥连接铰与仿猫式连杆型腿部减震结构的底端连接；

所述仿猫式连杆型腿部减震结构包括法兰盘J、法兰盘I、法兰盘G、弹簧减震器A、弹簧减震器B、弹簧减震器C、弹簧减震器D、小腿结构、连杆和连接铰，所述连杆包括连杆AC、连杆AD、连杆AF、连杆CD、连杆CI、连杆DJ、连杆BE和连杆FG，所述小腿结构的上端通过连接铰A分别与连杆AC、连杆AD和连杆AF的一端连接，所述连杆AD的另一端通过连接铰D分别与连杆CD和连杆DJ的一端连接，所述连杆CI的一端通过连接铰C分别与连杆AC和连杆CD的一端连接；所述连杆BE的一端通过连接铰B与连杆AF连接、另一端通过连接铰E与连杆DJ连接，所述连接铰B位于连杆AF的两端之间，所述连接铰E位于连杆DJ的两端之间；所述连杆FG的下端通过连接铰F与连杆AF的另一端连接、上端通过连接铰G与法兰盘G连接；所述连杆CI的另一端通过连接铰I与法兰盘I连接；所述连杆DJ的另一端通过连接铰J与法兰盘J连接；所述连杆AD、连杆FG、连杆BE和连杆AC上分别安装弹簧减震器A、弹簧减震器B、弹簧减震器C和弹簧减震器D；所述仿猫式连杆型腿部减震结构构成第二级减震自稳系统；

所述六自由度液压自稳装置包括上安装平台、连接铰、液压缸、万向节和下安装平台，所述上安装平台通过六个液压缸与下安装平台连接；所述液压缸的上端通过万向节与上安装平台连接，液压缸的下端通过连接铰和下安装平台连接；所述下安装平台通过连接铰与连接桥连接，所述上安装平台通过连接铰与船舱连接；所述六自由度液压自稳装置和船舱组成自稳船舱结构，所述自稳船舱结构构成第三级减震自稳系统。

所述自稳船舱结构还包括控制系统和数据采集系统。所述数据采集系统安装在无人船上，数据采集系统的输出端通过数据线与控制系统连接；所述控制系统的输出端经六通道D/A卡和换向阀连接到六自由度液压自稳装置上，所述控制系统的输入端经六通道A/D卡和位移传感器连接到六自由度液压自稳装置上。

所述数据采集系统包括陀螺仪、加速度计和嵌入式处理器，实现对无人船的实时姿态解算，监测无人船的实时角度变化，利用定时器瞬时角速度值，计算无人船在1ms内的角位移和方向变化。所述控制系统包括嵌入式处理器，根据数据采集系统的角位移和方向预测，控制六自由度液压自稳装置的运动，实现船舱的自稳控制。

所述自稳船舱结构的位移传感器、六通道A/D卡、控制系统、六通道D/A卡、换向阀和六自由度液压自稳装置组成闭环控制系统。

进一步地，所述位移传感器安装在六自由度液压自稳装置的液压缸上，监测液压缸的位移；所述六通道D/A卡、六通道A/D卡用于实现控制信号的数模转换和反馈信号的模数转换，实现对六自由度液压自稳装置的闭环控制。

进一步地，所述合金拱形桥A和合金拱形桥C的结构相同，分别沿长浮筒的长度方向安装。

进一步地，所述合金拱形桥A与支撑面之间安装三个金属橡胶减震器，所述合金拱形桥C与支撑面之间安装三个金属橡胶减震器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在无人船应用研究现状的基础上，提出一种具有三级减震系统的无人船设计方案。通过底座减震结构的设计，实现在低振幅浪涌下高速航行；通过仿猫式连杆型腿部减震机构的设计，实现在高振幅浪涌下稳定航行。

2、本发明在传统船舶结构设计的基础上，加入仿生结构设计，通过采用仿猫式连杆型腿部结构作为无人船的四个支架，增加了船体的稳定性和减震效果。

3、本发明设计了一种自稳船舱结构，通过自稳船舱的六自由度液压自稳装置结构设计，实现了船舱的自稳，增加了船舱的稳定性，减少了对船上人员的健康危害。

4、总之，本发明采用分级减震的思想，减小了无人船海上航行受波浪的影响，增加无人船的航行稳定性。

附图说明

图1是无人船三维立体结构图。

图2是减震底座示意图。

图3是仿猫式连杆型腿部减震结构示意图。

图4是六自由度液压自稳装置置结构示意图。

图5是数据采集系统工作流程图。

图6是自稳船舱结构的控制框图。

图中：1、船舱，2、六自由度液压自稳装置，3、连接桥，4、仿猫式连杆型腿部减震结构，5、减震底座，6、长浮筒，11、铰接连接点，12、上安装平台，13、万向节，14、液压缸，15、连接铰，16、下安装平台，41、小腿结构，42、弹簧减震器A，43、法兰盘J，44、法兰盘I，45、法兰盘G，46、弹簧减震器B，47、弹簧减震器C，48、弹簧减震器D，51、合金拱形桥A，52、金属橡胶减震器，53、桥连接铰，54、合金拱形桥B，55、合金拱形桥C，56、支撑面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

如图1-6所示，本发明的工作原理如下：

四个减震底座5构成第一级减震自稳系统，针对无人船行过程中产生的高频低振幅的浪涌，实现平稳海域高速航行过程中船体的稳定性；

仿猫式连杆型腿部减震结构4为第二级减震自稳系统，由多个连杆铰接而成，采用弹簧减震器代替腿部肌肉，在四根连杆上加入弹簧减震器起到了减振缓冲的效果。第二级减震自稳系统主要针对无人船在高海况下航行时水面上的高振幅的浪涌，仿猫式连杆型腿部减震结构4可以收缩，维持船体平稳，使无人船在风浪中稳定航行。

自稳船舱结构为第三级减震自稳系统，该系统将船舱1与连接桥3之间采用六自由度液压自稳装置2进行连接，六自由度液压自稳装置2通过陀螺仪、加速度计姿态测量传感器获取无人船倾角，控制系统进行角度补偿，保持船舱1姿态稳定。

本发明通过以上设计保证无人船航行过程中的船体稳定性和船舱1稳定性，提高无人船航向的精度、船体器件的安全性，减少对船上人员的健康危害。

本发明的具体实施方式如下：

如图1所示为减震无人船的三维立体图，分别由减震底座5、仿猫式连杆型腿部减震结构4、自稳船舱结构构成。

如图2所示为一级减震自稳系统结构图，拱桥上部铰接连接点11为连接二级减震自稳系统的连接点，承受的外力将由两端传至合金拱形桥A51和合金拱形桥B54。当无人船长浮筒6受到向上的冲击力时，合金拱形桥A51和合金拱形桥B54首先受冲击力发生变形，减缓无人船底部带来的巨大冲击力。合金拱形桥A51和合金拱形桥B54中加入金属橡胶减震器52，减轻合金拱形桥A51和合金拱形桥B54的变形程度，增加底座的稳定性。合金拱形桥A51和合金拱形桥B54起到对合金拱形桥C55的支撑作用，并分担上部冲击。

如图3所示为二级减震自稳系统结构图，法兰盘J43、法兰盘I44、法兰盘G45为无人船主体连接点，腿部结构通过连接铰J、连接铰I、连接铰G与法兰盘相连，连杆AC、连杆AD、连杆BE是中间带有不同弹性限度弹簧减震器的三个减震机构，分为三个缓冲带。A、B、C、D、E、F连接铰均为可转动的螺栓连接，连杆CD、连杆DJ、连杆CI均为支撑整个结构平衡和保持结构稳定的作用。小腿结构41是具有一定弹性的合金支架，它与第一级减震系统中的合金拱形桥C55连接，通过连接铰A与上部连杆结构连接，小腿结构41为二级减震系统的受力起始点，对整个系统起到支撑稳定的作用。

所述连杆AD、连杆BE中采用不同弹性限度的弹簧减震器形成两个缓冲带，连杆BE的弹性限度小于连杆AD。连杆AD是一级缓冲带，当弹簧减震器压缩到弹性限度后，连杆AC开始进行二级缓冲，同时缓解连杆AD中弹簧减震器A42的压力。当连杆AE的缓冲不能满足要求时，此时带有最大的弹性限度的连杆BE开始三级缓冲。当二级减震系统变形量过大，超过减震的最大阈值时，连杆BF、连杆FG用来调整和保持整个结构的可靠性和安全性，保证系统上部与船体连接的稳定性。当系统中的冲击力消失时，整个系统结构会随着弹簧的恢复，而恢复初始状态。

如图4所示为六自由度液压自稳装置2，所述六自由度液压自稳装置2由上安装平台12、下安装平台16、液压缸14、万向节13、连接铰15构成。上安装平台12和下安装平台16，中间由6个并联设置的液压缸14连接，借助六支作动筒的伸缩运动，液压缸14的活塞与缸筒，可以实现一个自由度的回转，液压缸14活塞和缸筒间具有两个自由度，液压缸14与上下平台之间由万向节13连接安装，完成下平台在空间六个自由度的运动，实现各种姿态的空间运动。

所述六自由度液压自稳装置2，通过三个铰接连接点11将上安装平台12与船舱1固定安装，将下安装平台16与无人船连接桥3固定安装。

如图5所示为数据采集系统工作流程图，所述数据采集系统由陀螺仪、加速度计、嵌入式处理器构成。

所述数据采集系统的工作方法，包括以下步骤：

A、获取船舱1的精确横滚角、俯仰角、角速度、角加速度信息

由于监测信息中包含一系列干扰和噪声，同时，根据陀螺仪静态测量性能较差、加速度计动态测量性能较差的特点，采用扩展卡尔曼滤波算法，进行陀螺仪、加速度计信息融合，输出精确的角速度、横滚角、俯仰角的参数值；

B、预测船舱1的角位移和方向

采集50组陀螺仪、加速度计输出的角度数据均值设定为船舱1的基准值，标定船舱1的平衡位置，监测船舱1的六个轴角角速度变化，利用定时器根据瞬时角速度估计六自由度液压自稳装置2在1ms内的角位移和方向，将预测出的角位移和方向发送给船舱1的控制系统，进行船舱1运动的预测控制。

如图6所示为船舱1的控制框图，所述船舱1的控制系统内包含位置正解模块、位置反解模块。所述位姿正解模块根据六个液压缸14的伸缩量来求船舱1的姿态；所述位姿反解模块根据船舱1的姿态求六个液压缸14的伸缩量。

船舱1的自稳控制方法，包括以下步骤：

A、控制系统接收数据采集系统解析的运动参数，进行空间运动模型变换，采用位置反解模块对船舱1的位姿参数进行反解，获得并联液压系统的运动规律，反解解出六只液压系统的伸长量，再将指令变换成模拟量经D/A卡、换向阀传送给液压系统，六只液压系统的协调运动维持船舱1的姿态稳定；

B、六自由度液压自稳装置2中的位移传感器、A/D卡、D/A卡及换向阀等组成闭环控制系统，采用位置正解模块将实际测得的船舱1位置轨迹进行分析，随时由控制系统调节各液压系统的位置。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有三级减震自稳系统的无人船，其特征在于：采用双体船结构，包括双长浮筒(6)、减震底座(5)、仿猫式连杆型腿部减震结构(4)、六自由度液压自稳装置(2)和船舱(1)，所述双长浮筒上安装四个减震底座(5)，即每个长浮筒(6)上安装两个减震底座(5)；所述仿猫式连杆型腿部减震结构(4)的底端与减震底座(5)连接、顶端与连接桥(3)连接；所述连接桥(3)上安装六自由度液压自稳装置(2)，所述船舱(1)安装在六自由度液压自稳装置(2)上；

所述减震底座(5)包括合金拱形桥A(51)、合金拱形桥B(54)、合金拱形桥C(55)、支撑面(56)和金属橡胶减震器(52)；所述合金拱形桥A(51)和合金拱形桥C(55)分别固定在支撑面(56)上，所述合金拱形桥B(54)的两个底端分别固定在合金拱形桥A(51)和合金拱形桥C(55)上；所述合金拱形桥A(51)与支撑面(56)之间安装金属橡胶减震器(52)，所述合金拱形桥C(55)与支撑面(56)之间安装金属橡胶减震器(52)；所述支撑面(56)安装在舭龙骨上；所述四个减震底座(5)构成第一级减震自稳系统，所述四个减震底座(5)分别两两安装在两个长浮筒(6)的舭龙骨上；所述合金拱形桥B(54)的顶部通过桥连接铰(53)与仿猫式连杆型腿部减震结构(4)的底端连接；

所述仿猫式连杆型腿部减震结构(4)包括法兰盘J(43)、法兰盘I(44)、法兰盘G(45)、弹簧减震器A(42)、弹簧减震器B(46)、弹簧减震器C(47)、弹簧减震器D(48)、小腿结构(41)、连杆和连接铰，所述连杆包括连杆AC、连杆AD、连杆AF、连杆CD、连杆CI、连杆DJ、连杆BE和连杆FG，所述小腿结构(41)的上端通过连接铰A分别与连杆AC、连杆AD和连杆AF的一端连接，所述连杆AD的另一端通过连接铰D分别与连杆CD和连杆DJ的一端连接，所述连杆CI的一端通过连接铰C分别与连杆AC和连杆CD的一端连接；所述连杆BE的一端通过连接铰B与连杆AF连接、另一端通过连接铰E与连杆DJ连接，所述连接铰B位于连杆AF的两端之间，所述连接铰E位于连杆DJ的两端之间；所述连杆FG的下端通过连接铰F与连杆AF的另一端连接、上端通过连接铰G与法兰盘G(45)连接；所述连杆CI的另一端通过连接铰I与法兰盘I(44)连接；所述连杆DJ的另一端通过连接铰J与法兰盘J(43)连接；所述连杆AD、连杆FG、连杆BE和连杆AC上分别安装弹簧减震器A(42)、弹簧减震器B(46)、弹簧减震器C(47)和弹簧减震器D(48)；所述仿猫式连杆型腿部减震结构(4)构成第二级减震自稳系统；

所述六自由度液压自稳装置(2)包括上安装平台(12)、连接铰、液压缸(14)、万向节(13)和下安装平台(16)，所述上安装平台(12)通过六个液压缸(14)与下安装平台(16)连接；所述液压缸(14)的上端通过万向节(13)与上安装平台(12)连接，液压缸(14)的下端通过连接铰(15)和下安装平台(16)连接；所述下安装平台(16)通过连接铰与连接桥(3)连接，所述上安装平台(12)通过连接铰与船舱(1)连接；所述六自由度液压自稳装置(2)和船舱(1)组成自稳船舱结构，所述自稳船舱结构构成第三级减震自稳系统；

所述自稳船舱结构还包括控制系统和数据采集系统；所述数据采集系统安装在无人船上，数据采集系统的输出端通过数据线与控制系统连接；所述控制系统的输出端经六通道D/A卡和换向阀连接到六自由度液压自稳装置(2)上，所述控制系统的输入端经六通道A/D卡和位移传感器连接到六自由度液压自稳装置(2)上；

所述数据采集系统包括陀螺仪、加速度计和嵌入式处理器，实现对无人船的实时姿态解算，监测无人船的实时角度变化，利用定时器瞬时角速度值，计算无人船在1ms内的角位移和方向变化；所述控制系统包括嵌入式处理器，根据数据采集系统的角位移和方向预测，控制六自由度液压自稳装置(2)的运动，实现船舱(1)的自稳控制；

所述自稳船舱结构的位移传感器、六通道A/D卡、控制系统、六通道D/A卡、换向阀和六自由度液压自稳装置(2)组成闭环控制系统。

2.根据权利要求1所述一种具有三级减震自稳系统的无人船，其特征在于：所述位移传感器安装在六自由度液压自稳装置(2)的液压缸(14)上，监测液压缸(14)的位移；所述六通道D/A卡、六通道A/D卡用于实现控制信号的数模转换和反馈信号的模数转换，实现对六自由度液压自稳装置(2)的闭环控制。

3.根据权利要求1所述一种具有三级减震自稳系统的无人船，其特征在于：所述合金拱形桥A(51)和合金拱形桥C(55)的结构相同，分别沿长浮筒(6)的长度方向安装。

4.根据权利要求1所述一种具有三级减震自稳系统的无人船，其特征在于：所述合金拱形桥A(51)与支撑面(56)之间安装三个金属橡胶减震器(52)，所述合金拱形桥C(55)与支撑面(56)之间安装三个金属橡胶减震器(52)。

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