CN110466707B - 一种应用于小型高速船的随动减摇装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于小型高速船的随动减摇装置，包括：智能控制系统、船舶数据采集系统、船舶横向动量提供系统；其中：船舶数据采集系统，用于实时采集船舶在航行过程中的船舶航行参数和船舶姿态参数；智能控制系统，用于分析处理船舶航行参数和船舶姿态参数，实时计算当前状态船舶横向动量提供系统提供动量的方案，转换成相应信号传递给船舶横向动量提供系统；船舶横向动量提供系统，用于实时调控动量轮转速与平台角度，并将调节后的动量轮转速与平台角度反馈到智能控制系统。本发明可以有效的减小小型高速船舶在过弯时的倾角，增加了船舶的稳定性、提高了船舶的安全性，便于驾驶人员在复杂水域的操作，降低了发生侧翻倾覆的可能性。

Description

一种应用于小型高速船的随动减摇装置

技术领域

本发明涉及船舶减摇装置技术领域，尤其涉及一种应用于小型高速船的随动减摇装置。

背景技术

在经济高速发展的今天，水上交通变得尤为重要，在应急处理、水面巡航、观光旅游方面，小型高速艇的应用及其广泛，如何提高小型高速艇航行时的稳定性，成为一个急需解决的问题，其中的一个主要障碍在于，船舶在航行时的航速，转弯的曲率半径，船体的横摇角度存在着很大的区别，传统的减摇方式，很难在任何情况下一样有效。由于高速艇速度快，吃水浅，极易发生倾覆或侧翻。在复杂水域航行时，对驾驶人员要求更高，船速也受到限制。

因此，本发明所涉及的一种应用于小型高速船的随动减摇装置能够有效的提高小型高速艇稳定性，降低船舶发生侧翻或倾覆的可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种应用于小型高速船的随动减摇装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种应用于小型高速船的随动减摇装置，该装置包括：智能控制系统、船舶数据采集系统、船舶横向动量提供系统；其中：

船舶数据采集系统，用于实时采集船舶在航行过程中的船舶航行参数和船舶姿态参数；船舶航行参数包括位置、航速、加速度、航向角、航向角速度、航向角加速度、螺旋桨转速、舵角；船舶姿态参数包括船舶横倾角；并将采集到的船舶航行参数和船舶姿态参数发送给智能控制系统；

智能控制系统，用于分析处理船舶数据采集系统采集到的船舶航行参数和船舶姿态参数，实时计算当前状态船舶横向动量提供系统提供动量的方案，转换成相应信号传递给船舶横向动量提供系统；同时根据数据采集系统采集的船舶在航行过程中的六自由度上的实时运动参数，与目标船舶姿态进行对比，进行船舶姿态的修正；

船舶横向动量提供系统，用于根据智能控制系统传递的信号实时调控动量轮转速与平台角度，并将调节后的动量轮转速与平台角度反馈到智能控制系统。

进一步地，本发明的船舶数据采集系统包括：惯性测量模块IMU、定位系统、六轴姿态传感器、转速传感器、角度传感器；其中：

通过惯性测量模块和姿态传感器测量减摇船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而获得船舶实时的运动姿态，六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡；通过定位系统测量船舶实时的航迹；通过转速传感器测量横向动量提供系统中动量轮的转速；通过角度传感器测量横向动量提供系统中搭载动量轮平台的倾角。

进一步地，本发明的船舶横向动量提供系统包括：基于陀螺仪原理的动量轮、步进电机、直流电机、搭载动量轮平台；每个步进电机单独控制其电脉冲信号和步距角；其中搭载动量轮平台下设立一个步进电机，该步进电机通过智能控制系统直接控制，通过控制该步进电机的电脉冲信号实现对搭载动量轮平台转角的控制；直流电机产生不同转速，作用在动量轮上以提供在不同情况下不同的复原力矩，使减摇增稳船的姿态与预先设定的目标姿态保持一致。

进一步地，本发明的随动减摇装置通过船舶减摇算法实现减摇的具体方法为：

(a)计算随动减摇装置不工作时船舶的横倾角Φ_b：

设船体自身转动惯量为I_ΦΦ，附加质量转动惯量为J_ΦΦ，船体自身阻尼恢复系数为c₁、c₃，船舶自身恢复力矩系数为k₁、k₃、k₅，船舶排水量为D，船舶的横稳性高为h，波浪模型方程为α(t)，建立船舶数学模型：

Φ_b＝-c₁Φ_b-c₃Φ_b ³-k₃Φ_b-k₃Φ_b ³-k₅Φ_b ⁵+Dhα(t)/(I_ΦΦ+J_ΦΦ)

将上式转换为一节线性方程的初值问题，并在时间t上进行微分求解，得到减摇陀螺不工作时船舶横倾角

的标准偏差为

为：

式中，N为在时间t内的取样次数，

为船舶横倾角φ_b的平均值；

(b)当船舶横倾角Φ_b大于程序设定的阈值Φ_a时，随动减摇装置开始工作，设此时的船舶横倾角为Φ_c；此时减摇陀螺与船舶的联合数学模型为：

式中：

为船舶横倾角，β为减摇陀螺进动角，R为转子半径，L为减摇陀螺厚度，ω为转子转速，M为减摇陀螺进动方向的阻尼系数；

将上式转换为一节线性方程的初值问题，并在时间t上进行微分求解，得到减摇陀螺不工作时船舶横倾角

的标准偏差为

为：

式中，N为在时间t内的取样次数，

为船舶横倾角φ_c的平均值。

进一步地，本发明的智能控制系统包括船舶减摇控制系统；船舶减摇控制系统通过处理船舶数据采集系统收集到的信息，经由船舶减摇算法分析处理后，判断是否需要减摇；若需要减摇，则将计算的动量轮转速与平台倾角参数发送至船舶横向动量提供系统。

进一步地，本发明的智能控制系统包括安全控制系统；安全控制系统实时监测船舶状态，当船舶姿态出现异常时，及时将数据反馈给驾驶员，并向驾驶员做出安全警告。

进一步地，本发明的通过船舶减摇算法进行计算之后，判断横倾角是否超过阈值，若达到阈值，则随动减摇装置工作，达到减摇增稳的目的。

进一步地，本发明的船舶横向动量提供系统，在接收智能控制系统发来的信号之后，向控制动量轮转速的直流电机与控制平台倾角的步进电机发出指令，实现动量轮转速与倾角实时调整，满足减摇增稳的需求。

进一步地，本发明的智能控制系统，实时接收船舶数据采集系统传来的船舶姿态数据以及船舶横向动量提供系统传来的动量轮转速与角度；当船舶趋于稳定时，降低动量轮转速，减小动量轮倾角，在保证船舶稳定的同时做到节能减排。

进一步地，本发明的船舶横向动量提供系统中进行反馈调节的具体方法为：

反馈调节的具体方法步骤是：

(a)建立船舶减摇率的表达公式：

(b)判断是否需要进行反馈调节；

记录前90s的数据，并每隔10s计算一次减摇率，减摇率分别设为TT₁，TT₂...TT₉，船舶横摇角度分别设为

自动计算前90s减摇率与船舶横摇率的线性回归方程，其斜率分别设为K_TT与

(1)若

则降低减摇陀螺转速ω；

(2)若

则提高减摇陀螺转速ω；

(3)若

则维持原有转速ω。

本发明产生的有益效果是：本发明的应用于小型高速船的随动减摇装置，基于陀螺仪原理，结合实际需要，为小型高速船舶提出一种有效减小横倾的方案，辅助驾驶人员完成在船体倾斜时完成姿态的摆正，将人工智能应用在船舶的减摇系统上，实现了主动减摇等功能；本发明可以有效的减小小型高速船舶在过弯时的倾角，增加了船舶的稳定性、提高了船舶的安全性，便于驾驶人员在复杂水域的操作，降低了发生侧翻倾覆的可能性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例系统构架图。

图2为本发明实施例的反馈调节机制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明实施例的应用于小型高速船的随动减摇装置，包括船体、以及在船体上设置智能控制系统、船舶横向动量提供系统、船舶数据采集系统；其中，

船舶数据采集系统，用于实时采集船体在航行过程中的推进参数，和六个自由度上的实时运动参数；

船舶横向动量提供系统，用于当船舶发生横倾，为船舶提供复原力矩，加速船舶摆正的过程。

智能控制系统，用于根据船舶数据采集系统采集的航行参数，实时计算当前状态船舶横向动量提供系统提供动量的最佳方案，转换成相应信号传递给船舶横向动量提供系统；同时根据数据采集系统采集的船舶在航行过程中的六自由度上的实时运动参数，与目标船舶姿态进行对比，进行船舶姿态的修正。六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。

船舶数据采集系统由惯性测量模块IMU、定位系统、六轴姿态传感器、转速传感器、角度传感器所组成；通过惯性测量模块和姿态传感器测量减摇船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而获得船舶实时的运动姿态；通过定位系统测量船舶实时的航迹；通过转速传感器测量横向动量提供系统中动量轮的转速；通过角度传感器测量横向动量提供系统中搭载动量轮平台的倾角。

船舶横向动量提供系统由基于陀螺仪原理的动量轮和搭载动量轮的平台所组成，可以接收智能控制系统所发出的信号，搭载动量轮的平台可以横向在一定的角度翻转，动量轮可以为发生横倾的船舶提供一个相反的力矩，加速船体摆正过程，同时动量轮可以接收智能控制系统所发出的信号，控制其转速，进而控制其转动惯量，控制其产生的力矩。

智能控制系统包括反馈系统、决策系统和执行系统；其中，决策系统对船舶数据采集系统所采集的参数进一步分析和处理，得到当前状态下船舶横向动量提供系统动量轮转速与其搭载平台倾角的最佳方案；执行系统将动量轮转速和搭载平台倾角调整最佳方案转换为相应的输出信号，控制动量轮转速及平台倾角；反馈系统接受数据采集系统实时采集的减摇船的运动参数，并反馈给决策系统，决策系统实时检测反馈的减摇船的运动参数，与目标姿态的信号进行对比，并进行PID参数调节，改变船舶横向动量提供系统的输出参数，使减摇船在横向上速度与加速度与预定姿态保持一致。

在本发明的另一个具体实施例中，应用于小型高速船的随动减摇装置，装置船舶数据采集系统、智能控制系统、船舶横向动量提供系统。

船舶数据采集系统，用于实时采集船舶在航行过程中的位置、航速、加速度、航向角、航向角速度、航向角加速度、螺旋桨转速、舵角等航行参数。由惯性测量模块IMU、GPS、转速传感器、角度传感器组成；通过惯性测量模块IMU测量船舶实时的速度和加速度；通过GPS进行船舶实时定位和测量航向角；通过转速传感器测量螺旋桨的转速；通过姿态传感器传感器测量船舶横倾角。

智能控制系统，用于根据所诉的船舶数据采集系统所采集到的数据为输出值，计算当前状态下所需动量轮的转速，搭载动量轮平台的角度的最佳方案，转换成相应的输出信号传递给船舶横向动量提供系统；同时，根据数据采集系统采集船舶在航行过程中的横向倾角和六自由度上的实时运动参数，与目标状态进行对比，对船舶横向动量提供系统的输入参数进行修正。

船舶横行动量提供系统，用于根据智能控制系统所输入的指令进行工作，所诉的船舶横向动量提供系统由一个基于陀螺仪原理的动量轮、一个步进电机、一个直流电机、搭载动量轮平台所构成，每个步进电机可以单独控制其电脉冲信号，步距角。其中搭载平台下设立一个步进电机，步进电机通过智能控制系统直接控制；通过控制步进电机的电脉冲信号实现对搭载平台转角的控制；直流电机产生不同转速，作用在动量轮上以提供在不同情况下不同复原力矩的要求。使减摇增稳船的姿态与预先设定的目标姿态保持一致。

其控制流程如下：

当小型高速船舶在复杂水域或繁忙水域航行或转弯时，船舶操作人员可以打开该系统，船舶数据采集系统开始工作，获取船舶航行的位置、航速、加速度、等参数。同时‘安装在船体中间的船舶横向动量提供系统准备工作，船舶智能控制系统将根据船舶数据采集系统所采集的数据，进行船舶姿态的预测，若船体发生过大的横倾，船舶智能控制系统将及时传达指令至船舶横向动量提供系统，进一步的，由所接收到的指令直流电机提供相应转速，步进电机改变步距角，进一步的动量轮提供指定动量，搭载平台产生指定倾角；增加船舶复原力矩，加速船舶摆正。智能决策系统、反馈系统将根据当前航态给出最佳的调整方案。

随动减摇装置通过船舶减摇算法实现减摇的具体方法为：

(a)计算随动减摇装置不工作时船舶的横倾角Φ_b：

设船体自身转动惯量为I_ΦΦ，附加质量转动惯量为J_ΦΦ，船体自身阻尼恢复系数为c₁、c₃，船舶自身恢复力矩系数为k₁、k₃、k₅，船舶排水量为D，船舶的横稳性高为h，波浪模型方程为α(t)，建立船舶数学模型：

Φ_b＝-c₁Φ_b-c₃Φ_b ³-k₃Φ_b-k₃Φ_b ³-k₅Φ_b ⁵+Dhα(t)/(I_ΦΦ+J_ΦΦ)

将上式转换为一节线性方程的初值问题，并在时间t上进行微分求解，得到减摇陀螺不工作时船舶横倾角

的标准偏差为

为：

式中，N为在时间t内的取样次数，

为船舶横倾角φ_b的平均值；

(b)当船舶横倾角Φ_b大于程序设定的阈值Φ_a时，随动减摇装置开始工作，设此时的船舶横倾角为Φ_c；此时减摇陀螺与船舶的联合数学模型为：

式中：

为船舶横倾角，β为减摇陀螺进动角，R为转子半径，L为减摇陀螺厚度，ω为转子转速，M为减摇陀螺进动方向的阻尼系数；

将上式转换为一节线性方程的初值问题，并在时间t上进行微分求解，得到减摇陀螺不工作时船舶横倾角

的标准偏差为

为：

式中，N为在时间t内的取样次数，

为船舶横倾角φ_c的平均值。

船舶横向动量提供系统中进行反馈调节的具体方法为：

反馈调节的具体方法步骤是：

(a)建立船舶减摇率的表达公式：

(b)判断是否需要进行反馈调节；

记录前90s的数据，并每隔10s计算一次减摇率，减摇率分别设为TT₁，TT₂...TT₉，船舶横摇角度分别设为

自动计算前90s减摇率与船舶横摇率的线性回归方程，其斜率分别设为K_TT与

(4)若

则降低减摇陀螺转速ω；

(5)若

则提高减摇陀螺转速ω；

若

则维持原有转速ω。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，该装置包括：智能控制系统、船舶数据采集系统、船舶横向动量提供系统；其中：

船舶数据采集系统，用于实时采集船舶在航行过程中的船舶航行参数和船舶姿态参数；船舶航行参数包括位置、航速、加速度、航向角、航向角速度、航向角加速度、螺旋桨转速、舵角；船舶姿态参数包括船舶横倾角；并将采集到的船舶航行参数和船舶姿态参数发送给智能控制系统；

智能控制系统，用于分析处理船舶数据采集系统采集到的船舶航行参数和船舶姿态参数，实时计算当前状态船舶横向动量提供系统提供动量的方案，转换成相应信号传递给船舶横向动量提供系统；同时根据数据采集系统采集的船舶在航行过程中的六自由度上的实时运动参数，与目标船舶姿态进行对比，进行船舶姿态的修正；

船舶横向动量提供系统，用于根据智能控制系统传递的信号实时调控动量轮转速与搭载动量轮平台转角，并将调节后的动量轮转速与搭载动量轮平台转角反馈到智能控制系统；

船舶数据采集系统包括：惯性测量模块IMU、定位系统、六轴姿态传感器、转速传感器、角度传感器；其中：

通过惯性测量模块和姿态传感器测量减摇船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而获得船舶实时的运动姿态，六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡；通过定位系统测量船舶实时的航迹；通过转速传感器测量横向动量提供系统中动量轮的转速；通过角度传感器测量横向动量提供系统中搭载动量轮平台转角；

船舶横向动量提供系统包括：基于陀螺仪原理的动量轮、步进电机、直流电机、搭载动量轮平台；每个步进电机单独控制其电脉冲信号和步距角；其中搭载动量轮平台下设立一个步进电机，该步进电机通过智能控制系统直接控制，通过控制该步进电机的电脉冲信号实现对搭载动量轮平台转角的控制；直流电机产生不同转速，作用在动量轮上以提供在不同情况下不同的复原力矩，使减摇增稳船的姿态与预先设定的目标姿态保持一致。

2.根据权利要求1所述的应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，随动减摇装置通过船舶减摇算法实现减摇的具体方法为：

(a)计算随动减摇装置不工作时船舶的横倾角Φ_b：

设船体自身转动惯量为I_ΦΦ，附加质量转动惯量为J_ΦΦ，船体自身阻尼恢复系数为c₁、c₃，船舶自身恢复力矩系数为k₁、k₃、k₅，船舶排水量为D，船舶的横稳性高为h，波浪模型方程为α(t)，建立船舶数学模型：

将上式转换为一节线性方程的初值问题，并在时间t上进行微分求解，得到减摇陀螺不工作时船舶横倾角Φ_b的标准偏差为S(Φ_b)为：

式中，N为在时间t内的取样次数，

为船舶横倾角φ_b的平均值；

(b)当船舶横倾角Φ_b大于程序设定的阈值Φ_a时，随动减摇装置开始工作，设此时的船舶横倾角为Φ_c；此时减摇陀螺与船舶的联合数学模型为：

式中：

为船舶横倾角，β为减摇陀螺进动角，R为转子半径，L为减摇陀螺厚度，ω为转子转速，M为减摇陀螺进动方向的阻尼系数；

将上式转换为一节线性方程的初值问题，并在时间t上进行微分求解，得到减摇陀螺不工作时船舶横倾角Φ_c的标准偏差为S(Φ_c)为：

式中，N为在时间t内的取样次数，

为船舶横倾角φ_c的平均值。

3.根据权利要求1所述的应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，智能控制系统包括船舶减摇控制系统；船舶减摇控制系统通过处理船舶数据采集系统收集到的信息，经由船舶减摇算法分析处理后，判断是否需要减摇；若需要减摇，则将计算的动量轮转速与平台倾角参数发送至船舶横向动量提供系统。

4.根据权利要求1所述的应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，智能控制系统包括安全控制系统；安全控制系统实时监测船舶状态，当船舶姿态出现异常时，及时将数据反馈给驾驶员，并向驾驶员做出安全警告。

5.根据权利要求2所述的应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，通过船舶减摇算法进行计算之后，判断横倾角是否超过阈值，若达到阈值，则随动减摇装置工作，达到减摇增稳的目的。

6.根据权利要求1所述的应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，船舶横向动量提供系统，在接收智能控制系统发来的信号之后，向控制动量轮转速的直流电机与控制平台倾角的步进电机发出指令，实现动量轮转速与倾角实时调整，满足减摇增稳的需求。

7.根据权利要求1所述的应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，智能控制系统，实时接收船舶数据采集系统传来的船舶姿态数据以及船舶横向动量提供系统传来的动量轮转速与角度；当船舶趋于稳定时，降低动量轮转速，减小动量轮倾角，在保证船舶稳定的同时做到节能减排。

8.根据权利要求1所述的应用于小型高速船的随动减摇装置，其特征在于，船舶横向动量提供系统中进行反馈调节的具体方法为：

反馈调节的具体方法步骤是：

(a)建立船舶减摇率的表达公式：

(b)判断是否需要进行反馈调节；

记录前90s的数据，并每隔10s计算一次减摇率，减摇率分别设为TT₁，TT₂...TT₉，船舶横摇角度分别设为

自动计算前90s减摇率与船舶横摇率的线性回归方程，其斜率分别设为K_TT与

(1)若K_TT>0.1,

则降低减摇陀螺转速ω；

(2)若K_TT<0.1,

则提高减摇陀螺转速ω；

(3)若|K_TT|<0.1,

则维持原有转速ω。

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