CN111290416A - 船只姿态控制方法、系统、计算机存储介质和船只 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船只姿态控制方法、系统、计算机存储介质和船只,属于智能船舶控制技术领域。本发明根据船只自身姿态信息的变化情况,自适应切换姿态调整方式,当船只倾角频繁变化时,通过减摇仪输出抵抗力矩减少船只摇摆,当船只持续倾斜时,说明通过减摇仪无法彻底的将船只姿态调整到位,此时通过压载水舱中水量的调节来实现船只的姿态调整,既保证了船只姿态的调整,又避免了只采用一种调整方式导致的难以调整到位或者频繁调整的问题,保证了船只姿态调整的高效,降低了倾覆的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种船只姿态控制方法、系统、计算机存储介质和船只,属于智能船舶控制技术领域。
背景技术
目前,船只在出港前或在航行过程中,由于货物装载或者海浪等多种原因会导致船只姿态平衡,并会随着航行中海况的变化和船只自身速度的加快发生倾覆的危险。目前针对这种情况,船只上一般会增设减摇仪或者压载水舱进行船只姿态的调整。例如公告号为CN106950963B的中国专利文件,该文件公开了一种船舶横倾智能控制系统及控制方法,根据横倾角的大小控制相应侧的压载水舱工作,使船舶横倾角度达到指定的横倾角度,保证船舶在航行中的安全。上述方案虽然能够实现船舶姿态的控制,但是对于由于风浪导致横倾角度频繁变化的情况,若还直接通过压载水舱控制,则需要一直频繁调节,导致压载水舱一直处于工作状态,压载水舱的寿命降低。此外,目前一部分船只是通过减摇仪来进行船只姿态的调整,而由于减摇仪输出的抵抗力矩有限,很难及时调整到位。因此,目前的船只姿态控制中存在调整频繁、难以及时调整到位的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种船只姿态控制方法、系统、计算机存储介质和船只,以解决目前船只姿态控制过程中存在的调整频繁、难以及时调整到位的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种船只姿态控制方法,包括以下方法方案:
方法方案一:该姿态控制方法包括以下步骤:
1)获取船只的姿态信息,所述的姿态信息包括船只的横向倾角和/或纵向倾角;
2)判断船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度和频率,当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且对应倾角的变化频率超过设定的频率阈值,则控制船只的减摇仪进行姿态调整;
当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且持续时间超过设定的时间阈值,则判断船只发生倾斜,控制船只中压载水舱的水量进行姿态调整。
本发明根据船只自身姿态信息的变化情况,自适应切换姿态调整方式,当船只倾角频繁变化时,通过减摇仪输出抵抗力矩减少船只摇摆,当船只持续倾斜时,说明,通过减摇仪无法彻底的将船只姿态调整到位,此时通过压载水舱中水量的调节来实现船只的姿态调整,既保证了船只姿态的调整,又避免了只采用一种调整方式导致的难以调整到位或者频繁调整的问题,保证了船只姿态调整的高效,降低了倾覆的风险。
方法方案二:在方法方案一的基础上,为了确定船只姿态信息,所述的姿态信息由设置在船只上的速度传感器和/或加速度传感器确定。
方法方案三:在方法方案三的基础上,为了准确确定船只姿态信息,所述的姿态信息由设置在船只上的速度传感器、加速度传感器和电子罗经确定。
方法方案四、五、六:分别在方法方案一、二、三的基础上,当船只发生倾斜时,控制船只上与倾斜方向一致位置处的压载水舱进行排水。
方法方案七、八、九:分别在方法方案一、二、三的基础上,当船只发生倾斜时,控制控制船只上与倾斜方向相对位置处的压载水舱进行注水。
方法方案十、十一、十二:分别在方法方案一、二、三的基础上,为实现快速调整,当船只发生倾斜时,控制船只上与倾斜方向一致位置处的压载水舱进行排水,并控制控制船只上与倾斜方向相对位置处的压载水舱进行注水。
本发明还提供了一种船只姿态控制系统,包括以下系统方案:
系统方案一:该控制系统包括:
姿态信息采集器,所述姿态信息采集器与控制器连接,用于获取船只的姿态信息,所述的姿态信息包括船只的横向倾角和/或纵向倾角;
减摇仪,用于根据船只姿态输出抵抗力矩船只姿态控制,由控制器控制连接;
压载水舱,至少两个,分别用于设置在船只两侧,用于通过调整自身水量实现船只姿态控制,由控制器控制连接;
控制器,所述控制器用于根据姿态信息采集器获取的姿态信息节控制减摇仪和压载水舱,当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且对应倾角的变化频率超过设定的频率阈值,则控制船只的减摇仪进行姿态调整;当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且持续时间超过设定的时间阈值,则判断船只发生倾斜,控制船只中压载水舱的水量进行姿态调整。
本发明根据船只自身姿态信息的变化情况,自适应切换姿态调整方式,当船只倾角频繁变化时,通过减摇仪输出抵抗力矩减少船只摇摆,当船只持续倾斜时,说明,通过减摇仪无法彻底的将船只姿态调整到位,此时通过压载水舱中水量的调节来实现船只的姿态调整,既保证了船只姿态的调整,又避免了只采用一种调整方式导致的难以调整到位或者频繁调整的问题,保证了船只姿态调整的高效,降低了倾覆的风险。
系统方案二:在系统方案一的基础上,为了确定船只姿态信息,所述的姿态信息采集器包括用于设置在船只上的速度传感器和/或加速度传感器。
系统方案三:在系统方案一的基础上,为实现船只姿态信息的准确获取,所述的姿态信息采集器包括用于设置在船只上的速度传感器、加速度传感器和电子罗经。
系统方案四、五、六:分别在系统方案一、二、三的基础上,当船只发生倾斜时,所述控制器控制船只上与倾斜方向一致位置处的压载水舱进行排水。
系统方案七、八、九:分别在系统方案一、二、三的基础上,当船只发生倾斜时,所述控制器控制船只上与倾斜方向相对位置处的压载水舱进行注水。
系统方案十、十一、十二:分别在系统方案一、二、三的基础上,为方便快速实现船只姿态调整,船只发生倾斜时,所述控制器控制船只上与倾斜方向一致位置处的压载水舱进行排水,并控制船只上与倾斜方向相对位置处的压载水舱进行注水。
本发明还提供了一种计算机存储介质,该存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被执行时用于实现本发明的船只姿态控制方法的方案一至方案十二。
本发明还提供了一种船只,包括船只本体,以及设置在船只本体上的船只姿态控制系统,船只姿态控制系统为本发明的船只姿态控制系统的方案一至方案十二。
附图说明
图1是本发明船只姿态控制系统的原理图;
图2是本发明船只姿态控制系统中控制器的输入输出图;
图3本发明船只姿态左右/前后频繁摇晃时的倾角变化示意图;
1为左前压载水舱,2为左中压载水舱,3为左后压载水舱,4为陀螺减摇仪,5为陀螺仪传感器,6为加速度计,7为电子罗经,8为控制器,9为右前压载水舱,10为右中压载水舱,11为右后压载水舱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明根据船只航行过程中不同的姿态信息,通过切换控制在船只上的压载水舱和减摇仪实现船只姿态的调整,在船只姿态频繁变化时,控制减摇仪来实现姿态的调整,在船只姿态持续倾斜时,通过控制压载水舱的水量实现姿态调整。使得船只能够根据实际工况自适应选择相应的姿态调节方式,达到高效调节的目的。
船只姿态控制系统的实施例
本发明船只姿态控制系统包括控制器,以及与控制器连接的姿态信息采集器、减摇仪和压载水舱,其中姿态信息采集器用于获取船只的姿态信息,包括船只的横向倾角和/或纵向倾角(简称船只的倾角),本实施例的姿态信息采集器如图1所示,包括加速度计6、陀螺仪5、电子罗经7,加速度计6输出船只航行过程中的三轴加速度信号,陀螺仪5输出船只航行过程中的三轴速度信号,电子罗经输出船只航行过程中的磁北方向信号,控制器根据加速度计6、陀螺仪5、和电子罗经7三者的信号融合得到船只的倾角(可采用现有融合算法得到),在安装时,陀螺仪5装于船只的质心附近,电子罗经7的磁北方向指向船只艏向,加速度计6的方向前端指向船只艏向。作为其他实施方式,也可以只采用加速度计输出的三轴加速度信号计算倾角,其中Pitch(纵向倾角)=arctan[ax/(ay 2+az 2)1/2],Roll(横向倾角)=arctan[ay/(ax 2+az 2)1/2],ax、ay和az分别为船只在三个轴向上的加速度值;同样也可只采用船只在三个方向的速度值确定倾角,通过陀螺仪输出的船只绕XYZ轴三个方向的旋转速度Ωx、Ωy、Ωz来计算船只倾角,即将采集到的该时刻的角速度在采样时间内进行积分;为了提高倾角测量的准确度,同样也可以将速度信号和加速度信号融合来确定倾角,具体的融合计算采用现有的融合算法即可,这里不再详细描述。
减摇仪采用陀螺减摇仪4,陀螺减摇仪4根据船只姿态输出抵抗力矩实现姿态调整,一般设置在船只中间。压载水舱,至少两个,分别用于设置在船只两侧,压载水舱中一般设置有双向水泵,或者两个单向水泵,用于向舱外排水或向舱内注水,以通过排水或注水实现压载水舱内水量的调节;为了方便知道船只停靠装载货物时船只的姿态信息,各个压载水舱外部还设置有相应的液位传感器。如图1所示,本实施例中的压载水舱有6个,分别设置在船只的左前侧、左中侧、左后侧、右前侧、右中侧和右后侧,分别叫做左前压载水舱1、左中压载水舱2、左后压载水舱3、右前压载水舱9、右中压载水舱10、右后压载水舱11,各压载水舱内的水泵均与控制器8连接,由控制器8控制,压载水舱外液位传感器也均与控制器8连接。压载水舱的个数根据实际需要进行设置,一般都是对称设置。
如图2所示,控制器8根据加速度计6输出的三轴加速度信号、陀螺仪5输出的三轴速度信号、电子罗经7输出的磁北信号确定船只倾角,根据倾角变化情况来切换控制陀螺减摇仪4和压载水舱内的水泵,实现姿态调整,此外,控制器8还可通过各压载水舱外部的液位传感器确定船只停靠装载货物时的倾角,同时,为方便控制,控制器还需要知道陀螺减摇仪4的状态反馈信号和压载水舱内水泵的状态反馈信号。控制器8具体的控制过程如下:船只在行驶过程中,通过船只上的加速度计6、陀螺仪5、电子罗经7进行姿态信息检测,控制器8根据上述器件的数据确定船只的姿态信息,包括横向倾角和纵向倾角,当船只的横向倾角、纵向倾角超过对应的设定倾角阈值(阈值大小根据船只的实际情况定),且变化频繁呈震荡趋势时(本实施例震荡频率高于0.2Hz),震荡是指倾角相对于中位正负频繁震荡,如图3所示,控制器切换到陀螺减摇仪模式,即由陀螺减摇仪根据倾角大小输出相应的抵抗力矩,实现船只姿态调整;若经过陀螺减摇仪调整后,船只的横向倾角、纵向倾角仍超过对应的设定倾角阈值,且持续时间达到设定时间(例如20s),说明船只发生倾斜,有倾覆风险,需要通过压载水舱进行调整,即此时,控制器切换至压载水舱控制模式,通过调整压载水舱的水量实现姿态调整,原则为:根据倾斜方向调整相应压载水舱,当船只发生倾斜时,控制船只上与倾斜方向一致位置处的压载水舱进行排水和/或控制船只上与倾斜方向相对位置处的压载水舱进行注水。
下面以图1中六个压载水舱为例,对船只发生持续倾斜时的控制进行详细说明,具体分为以下几种情况:
1)当船只持续向左前方倾斜时,则控制左前压载水舱进行排水,或者控制右后压载水舱进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制左前压载水舱排水和右后压载水舱注水。
2)当船只持续向左后方倾斜时,则控制左后压载水舱进行排水,或者控制右前压载水舱进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制左后压载水舱排水和右前压载水舱注水。
3)当船只持续向右前方倾斜时,则控制右前压载水舱进行排水,或者控制左后压载水舱进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制右前压载水舱排水和左后压载水舱注水。
4)当船只持续向右后方倾斜时,则控制右后压载水舱进行排水,或者控制左前压载水舱进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制右后压载水舱排水和左前压载水舱注水。
5)当船只持续向左倾斜时,则控制左侧三个压载水舱((也可以根据需要控制其中两个或一个,两个的话是前、后两个,一个的话可以是中间的那一个)进行排水,或者控制右侧三个压载水舱(也可以根据需要控制其中两个或一个,两个的话是前、后两个,一个的话可以是中间的那一个)进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制左侧三个压载水舱排水和右侧三个压载水舱注水。
6)当船只持续向右倾斜时,则控制右侧三个压载水舱((也可以根据需要控制其中两个或一个,两个的话是前、后两个,一个的话可以是中间的那一个)进行排水,或者控制左侧三个压载水舱(也可以根据需要控制其中两个或一个,两个的话是前、后两个,一个的话可以是中间的那一个)进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制右侧三个压载水舱排水和左侧三个压载水舱注水。
7)当船只持续向前侧倾斜时,则控制前侧两个压载水舱(左前侧和右前侧)进行排水,或者控制后侧两个压载水舱(左后侧和右后侧)进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制前侧两个压载水舱排水和后侧两个压载水舱注水。
8)当船只持续向前侧倾斜时,则控制后侧两个压载水舱(左后侧和右后侧)进行排水,或者控制前侧两个压载水舱(左前侧和右前侧)进行注水,为提高控制效率,使船只姿态快速调整到位,也可以同时控制后侧两个压载水舱排水和前侧两个压载水舱注水。
船只的实施例
本发明的船只包括船只本体,以及设置在船只上的船只姿态控制系统,如图1所示,系统的具体结构和工作过程已在船只实施例中进行了详细说明,这里不再赘述。
船只姿态控制方法的实施例
本发明的船只姿态控制方法是通过获取船只航行过程中的姿态信息,根据姿态信息来切换控制陀螺减摇仪和压载水舱水量进行姿态调整,具体的控制过程已在船只姿态控制系统的实施例中进行了详细说明,这里不再赘述。
计算机存储介质的实施例
上述船只姿态控制方法可以形成计算机程序,这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储介质中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令能够实现上述压缩方法和特定功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令实现上述压缩方法和特定功能。
本实施例所指的计算机可读存储介质,包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等。
Claims (10)
1.一种船只姿态控制方法,其特征在于,该姿态控制方法包括以下步骤:
1)获取船只的姿态信息,所述的姿态信息包括船只的横向倾角和/或纵向倾角;
2)判断船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度和频率,当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且对应倾角的变化频率超过设定的频率阈值,则控制船只的减摇仪进行姿态调整;
当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且持续时间超过设定的时间阈值,则判断船只发生倾斜,控制船只中压载水舱的水量进行姿态调整。
2.根据权利要求1所述的船只姿态控制方法,其特征在于,所述的姿态信息由设置在船只上的速度传感器和/或加速度传感器确定。
3.根据权利要求1所述的船只姿态控制方法,其特征在于,所述的姿态信息由设置在船只上的速度传感器、加速度传感器和电子罗经确定。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的船只姿态控制方法,其特征在于,当船只发生倾斜时,控制船只上与倾斜方向一致位置处的压载水舱进行排水。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的船只姿态控制方法,其特征在于,当船只发生倾斜时,控制控制船只上与倾斜方向相对位置处的压载水舱进行注水。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的船只姿态控制方法,其特征在于,当船只发生倾斜时,控制船只上与倾斜方向一致位置处的压载水舱进行排水,并控制控制船只上与倾斜方向相对位置处的压载水舱进行注水。
7.一种船只姿态控制系统,其特征在于,该控制系统包括:
姿态信息采集器,所述姿态信息采集器与控制器连接,用于获取船只的姿态信息,所述的姿态信息包括船只的横向倾角和/或纵向倾角;
减摇仪,用于根据船只姿态输出抵抗力矩船只姿态控制,由控制器控制连接;
压载水舱,至少两个,分别用于设置在船只两侧,用于通过调整自身水量实现船只姿态控制,由控制器控制连接;
控制器,所述控制器用于根据姿态信息采集器获取的姿态信息节控制减摇仪和压载水舱,当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且对应倾角的变化频率超过设定的频率阈值,则控制船只的减摇仪进行姿态调整;当船只的横向倾角和/或纵向倾角的变化幅度超过设定幅度阈值,且持续时间超过设定的时间阈值,则判断船只发生倾斜,控制船只中压载水舱的水量进行姿态调整。
8.根据权利要求7所述的船只姿态控制系统,其特征在于,所述的姿态信息采集器包括用于设置在船只上的速度传感器和/或加速度传感器。
9.一种计算机存储介质,其特征在于,该存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被执行时用于实现权利要求1-6任一项所述的方法。
10.一种船只,包括船只本体,以及设置在船只本体上的船只姿态控制系统,其特征在于,船只姿态控制系统为权利要求7-12任一项所述的船只姿态控制系统。
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RU2809129C1 (ru) * | 2023-02-03 | 2023-12-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" | Способ проводки, швартовки и отшвартовки морского грузового судна в автономном режиме и способ работы цифровой инструментальной платформы управления движением группы автономных судов-буксиров в портовой акватории |
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