CN112498644A - 内河船电力推进系统及包含该推进系统的内河船航行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航行机动性高的内河船电力推进系统，包括电力系统和可升降收放的全回转推进系统；所述全回转推进装置，包括设置在船体上的翘摆机构，翘摆机构包括设置在船体上的绕水平轴线转动的转动盘以及驱动转动盘的翘摆驱动装置，翘摆驱动装置输出端伸出或缩回带动转动盘转动，转动盘上连接有回转机构，回转机构包括回转座，回转座通过其上设置的转动轴与转动盘相连接，回转座内腔装有可在回转座腔内垂直于转动盘盘面的平面上360°旋转的中空的回转体，回转体上设有沿回转体中心轴方向运动的升降机构，升降机构上设有空毂全回转推进系统。本发明还公开了包含该内河船电力推进系统的内河船航行控制方法。

Description

内河船电力推进系统及包含该推进系统的内河船航行控制 方法

技术领域

本发明属于船舶推进技术领域，具体涉及一种船舶电力推进系统，特别是一种内河船电力推进系统及包含该推进系统的内河船航行控制方法。

背景技术

船舶交流组网电力推进系统，即柴油机带动同步发电机发电，产生的恒频恒压交流电通过交流配电盘进行交流组网，交流组网后的交流电压在经过交—直—交变频器后，驱动船舶推进电动机工作。

船舶电力推进系统是一种比较先进的推进方式，其节能、环保、安全性能非常适合应用于内河船，但内河航道行驶环境复杂，水深、水流情况变化较多，导致船舶运行负荷波动较大，柴油机输出功率不能迅速跟随变化，造成柴油机运行工况差，耗油量高的缺陷。此外，内河航道狭窄，急弯险滩较多，需要避让的船舶和相互交错的船舶非常多，对于船舶的机动性要求较高，常规的电力推进系统和推进结构无法满足船舶运行高机动性要求。

专利“一种吊舱式全回转船舶电力推进系统”(ZL201811655171.2)采用至少一组发电单元，发电单元的电能输出端通过线缆依次连接有变频器、功率输出控制系统，在功率输出控制系统上连接一内部具有同步电动机的吊舱式全回转推进系统，全回转推进系统螺旋桨桨毂上设有伸缩机构用于调节螺旋桨直径，进而调节螺旋桨推力；但该专利采用的电力推进系统无法根据船舶运行负荷改变电力系统的输出功率，易造成能源浪费。

专利“一种船舶推进系统的航行控制方法”(ZL200810034634.3)采用左右两套对称安装的推进电动机和全回转螺旋桨组成船舶推进动力装置，通过推进控制和回转控制，实现螺旋桨转速和角度控制；但该方法未考虑船舶运行负荷波动时全回转推进系统输出功率的控制，同时，船舶航行控制方法中仅考虑船舶目标航速和航向，未考虑船舶目标位置对航行控制的要求，在内河船紧急避让、定点停靠等条件下，无法满足内河船高机动性的航行要求，此外，当船舶自动航行过程中，航行轨迹内突然出现船舶或障碍物，船舶无法及时规避。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种航行机动性高的内河船电力推进系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种内河船电力推进系统，包括电力系统和可升降收放的全回转推进系统；

电力系统包括左、右舷两个电力单元，电力单元包括母线，左、右舷两个电力单元的母线通过开关相连接，母线功率输入侧通过带第一断路器的电缆连接有至少两台恒速主发电机，主发电机输出端设有检测主发电机的输出电压和输出电流的第一功率检测模块，第一功率检测模块与PLC控制器连接；母线功率输入侧通过带逆变器以及第二断路器的电缆连接有超级电容；

母线功率输出侧通过第三断路器连接到AFE变频器，AFE变频器通过第六断路器与主推进电机相连，AFE变频器输出端设有检测AFE变频器输出电压与电流的第二功率检测模块，第二功率检测模块与PLC控制器连接；

母线通过电缆依次与第四断路器、变压器、第五断路器、以及日用负载相连，变压器和第五断路器之间设有与PLC控制器相连的用于检测日用负载消耗的功率的第三功率检测模块；

全回转推进装置，包括设置在船体上的翘摆机构，翘摆机构包括设置在船体上的绕水平轴线转动的转动盘以及驱动转动盘的翘摆驱动装置，翘摆驱动装置输出端伸出或缩回带动转动盘转动，转动盘上连接有回转机构，回转机构包括回转座，回转座通过其上设置的转动轴与转动盘相连接，回转座内腔装有可在回转座腔内垂直于转动盘盘面的平面上360°旋转的中空的回转体，回转体上设有沿回转体中心轴方向运动的升降机构，升降机构上设有空毂全回转推进系统；回转体内腔设有内齿圈；回转座上装有回转电机，回转电机输出端与转轴连接，转轴与齿轮连接，齿轮与回转体的内齿圈啮合，回转体下端与升降机构相连接；空毂全回转推进系统包括电机外壳，电机外壳内装有电机定子，电机定子上缠绕线圈；电机外壳内腔中装有转子，转子上装有安装环，安装环内壁上装有若干桨叶单元；线圈通电时，转子带动安装环在电机外壳内腔中旋转。

作为一种优选的方案，所述升降机构包括筒状的升降座，升降座上端与回转体下端连接，升降座内腔活动装有升降柱，升降柱可在升降座内腔中上下运动，升降柱上设有沿长度方向布置的齿条，升降座上装有与齿条对应的升降驱动装置；升降柱底端连接所述空毂全回转推进系统。

作为一种优选的方案，所述升降柱上设有摩擦板，升降座上装有与摩擦板相配合的摩擦锁紧机构。

作为一种优选的方案，所述摩擦锁紧机构包括安装在升降座上的锁紧座，锁紧座上装有压紧驱动装置，压紧驱动装置输出端连接有压紧滑块，压紧滑块上设有导向轴，导向轴穿过锁紧座上设置的导向孔，压紧滑块上装有摩擦块，当压紧驱动装置带动摩擦块伸出时，摩擦块与摩擦板贴合以锁紧升降柱。

作为一种优选的方案，所述安装环两端分别套装有旋转支撑体，用于支撑安装环，电机外壳两端装有径向轴承座，径向轴承座外侧装有导流罩，旋转支撑体上装有耐磨铜套，耐磨铜套上套有径向轴承和推力轴承。

作为一种优选的方案，所述转动盘和船体上的固定板中间装有降低转动盘转动时的摩擦力的翘摆无油衬套。

作为一种优选的方案，在回转体径向方向与回转座之间装有用于降低转动摩擦力的回转无油衬套，回转体与回转座之间装有回转推力轴承，用于支撑回转体。

作为一种优选的方案，所述回转座上装有回转座端盖，回转座端盖压紧回转推力轴承以在轴向上固定回转体。

作为一种优选的方案，所述升降驱动装置包括安装在升降座上的升降电机和带座轴承，升降电机输出端连接传动轴一端，传动轴另一端穿过带座轴承，传动轴上装有传动齿轮，传动齿轮与齿条啮合。

本系统的有益效果是：本系统设置电力推进系统的全回转可收放推进装置，全回转全回转推进系统可在任意方向上输出推力，提高了船舶航行的机动性；船舶在浅水域航行时，升降机构可提升全回转推进系统，避免全回转推进系统触底，降低了船舶浅水域航行的限制；此外，若某一全回转推进系统发生故障，可将该全回转推进系统收到船体内部，降低船舶航行阻力。

由于全回转推进系统采用空毂全回转推进系统，整个结构完全消除了螺旋叶片轴的部分，降低螺旋叶片转动阻力，隧道内部通过电机直接驱动螺旋叶片桨叶旋转，能够有效的降低能量传递的损失，提高了螺旋叶片推进效率，传递过程几乎没有任何的振动和噪音，同时空毂全回转推进系统内部采用水润滑轴承，内部无任何油润滑介质，避免润滑油泄露，更加环保。

由于升降柱上设有摩擦板，升降座上装有与摩擦板相配合的摩擦锁紧机构，可以在升降柱调整到位后对其进行锁定，以可靠保持升降柱位置。

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种包含上述内河船电力推进系统的内河船航行控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：启动电力推进系统

启动一台发电机，通过设备运行参数监测模块获取发电机组输出功率P_W和船舶负荷功率P_L；船舶负荷功率P_L包括变频器输出功率和日用负载功率，当船舶负荷功率大于当前发电机组输出功率，且机组平均负荷达到85％后，启动蓄电池为母线补充功率，直至变频器输出功率小于当前发电机组输出功率；

若蓄电池放电时长超过蓄电池额定工作时长的90％，则启动备用机组，关闭蓄电池，此时备用机组为母线供电，补充功率，母线为蓄电池充电；当机组负荷低于30％时，自动停止一台机组运行，保证最小在网机组1台；

有大功率设备启动时，需要向功率管理系统发送重载问询请求，确认在网机组功率满足要求后才能允许启动，否则将启动备用机组并网后才允许启动；

步骤2：实时获取船舶航行参数

各个船舶监测模块实时获取所需的船舶航行参数；

通过定位导航模块获取船舶当前位置(x₀,y₀)、航速v₀和航向α₀；

通过设备运行参数监测模块获取左右两侧全回转推进系统转速n_L、n_R和角度β_L和β_R；

通过航行环境参数监测模块获取吃水深度、水流的方向和速度，风的方向和速度，以及航行目标航行轨迹内障碍物尺寸、运动方向和速度信息；

根据船舶航行需求，在固定坐标系(X₀,O₀,Y₀)下，设定船舶目标位置(x_P,y_P)、航速u_P和航向α_P，同时设定船舶从初始位置调整到目标位置所用的调整时间为T，T＝L/(k×v_E)；其中，L为初始位置和目标位置之间的距离，v_E为船舶设计航速，k为航行速度系数，(0<k≤1)；接着将固定坐标系下(X₀,O₀,Y₀)的航行参数转化到随船坐标系(X,O,Y)中，得到船舶前进距离△x、横移距离△y和航向偏角△ω；

步骤4：计算船舶航行调整过程的控制参数

根据设定的航行参数，计算t时刻船舶航行调整过程的控制参数，从式中计算得到在随船坐标系下X轴方向运动速度u(t)、Y轴方向运动速度v(t)和绕Z轴转动角速度ω(t)；

步骤5：计算外力作用于船舶的力和力矩

将实时采集的水流方向和速度、风的方向和速度、吃水深度、船舶航行速度和方向输入上位机的仿真计算软件，在软件中选择相应的船体模型后，计算得出得出t时刻，水流和风作用于船舶x轴方向的前进力F_Ex(t)、y轴方向的横移力F_Ey(t)和绕z轴转动的转动力矩M_E(t)；

步骤6：计算当前的全回转推进系统作用力和力矩

双全回转推进系统结构相同，并且对称布置在船艉，因此，双全回转推进系统同时作用于船舶上的力矩为

其中，a为全回转推进系统常规推力减额系数；b和c分别为通过实验得出的全回转推进系统推力对横移和转动力矩的影响系数；β_L和β_R分别为左右两侧全回转推进系统转动角度；F_L和F_R分别为左右两侧全回转推进系统的推力，全回转推进系统的推力F＝ρn²D⁴k；其中，ρ为水的密度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径；k为螺旋桨推力系数；

步骤7：计算所需的全回转推进系统作用力和力矩

根据设定的目标参数和外力作用条件，计算t时刻需要全回转推进系统额外作用于船舶x轴方向的前进力F_Px(t)、y轴方向的横移力F_Py(t)和绕z轴转动的转动力矩M_P(t)；

船舶的运动方程如下，从式中计算得到F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)；

式中：m为船舶质量；m_x和m_y分别为运动坐标系x和y轴方向上的附加质量；I_z和J_z分别为船舶绕z轴的转动惯量和附加转动惯量；

步骤8：计算所需的全回转推进系统转速和角度

船舶调整过程中，两侧全回转推进系统采取相同操作，即取β＝β_PL＝β_PR，取n＝n_PL＝n_PR，根据步骤6中的计算公式，由F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)，计算得到t时刻所需的全回转推进系统角度β和螺旋桨转速n；

步骤9：控制变频器输出功率

根据所需的螺旋桨转速n，得到航行过程中推进电机所需的负载功率，并由此计算出相应的电压电流以调节变频器输出的电压电流曲线，使之与所需的负载电压电流曲线贴合，保持变频器输出功率匹配实际负载功率；

步骤10：控制全回转推进系统角度

根据t时刻的全回转推进系统角度β，控制旋转电机转动到对应角度；若β>β₀，当β-β₀>180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β，当β-β₀<180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β；若β<β₀，当β₀-β>180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β，当β₀-β<180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β；

步骤11：航行轨迹障碍物碰撞判断

船舶自动航行过程中，环境参数监测模块通过摄像机实时采集船舶航行轨迹内图像，根据图像判断航行区域内是否出现障碍物或船只；当船舶由现行位置A驶向目标位置B时，若航行区域内出现障碍物C，控制系统先发出障碍物碰撞警告，并提醒操作员重新设定航行目标参数；若无操作员响应障碍物碰撞警告，则控制系统自动更改航行目标参数；控制系统从采集的图像中判断障碍物C垂直于航线方向的长度尺寸，并判断障碍物移动方向，判定障碍物是向船舶左侧还是右侧运动即可，若障碍物向船舶向某侧移动，则在原航线轨迹基础上向相反一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；若障碍物不动，则在原航线轨迹基础上向任意一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；到达新的目标位置A1后沿平行于原轨迹方向移动直至船舶运动超过障碍物后到达设定的转向位置A2，然后由转向位置A2继续向原目标位置B行驶。

本方法的有益效果是：

本航行控制方法，根据设定的运行目标参数，实时采集船舶当前运行参数，并考虑环境因素(如水流和风)对船舶航行的影响，计算得到船舶航行控制参数，通过实时控制全回转推进系统的转速和角度，实现了船舶自动航行，提升了船舶航行的机动性和可靠性。

在自动航行条件下，采用摄像机实时监测航行轨迹内是否存在突然出现的船舶或障碍物，若存在，控制系统则发出障碍物碰撞警告或重新规划航行目标轨迹，并按新规划的航行轨迹自动航行，提高了船舶自动航行的安全性和可靠性。

附图说明

图1是内河船电力推进系统示意图；

图2为全回转推进系统立体图；

图3为全回转推进系统中回转机构等部分的立体图；

图4为全回转推进系统正视图；

图5为图4中A-A剖视图；

图6为图5中B-B剖视图；

图7为回转机构和升降机构视图；

图8为升降驱动装置视图；

图9为锁紧装置视图；

图10为空毂全回转推进系统剖视图；

图11为空毂全回转推进系统局部放大图；

图12为空毂全回转推进系统左视图；

图13是内河船电力推进系统的控制系统的示意图；

图14是控制方法流程图；

图15是固定坐标系、随船坐标系及相关参数的示意图；

图16是船舶绕开障碍物行驶的示意图；

图中：1电力系统，111母线、112母线，113开关，12PLC控制器，

301主发电机、311主发电机、341主发电机、351主发电机，321超级电容、331超级电容；303第一断路器、313第一断路器、343第一断路器、353第一断路器，323第二断路器、333第二断路器，322逆变器、332逆变器，302第一功率检测模块、312第一功率检测模块、342第一功率检测模块、352第一功率检测模块，

401第四断路器、431第四断路器、402变压器、432变压器、403第三功率检测模块、433第三功率检测模块，404第五断路器、434第五断路器，405日用负载、435日用负载；411第三断路器、421第三断路器，412AFE变频器、422AFE变频器，413第二功率检测模块、423第二功率检测模块，414第六断路器、424第六断路器，415主全回转推进系统电机、425主全回转推进系统电机；

2全回转推进系统，21翘摆机构；211船体；212固定板；213转动盘；214翘摆驱动装置；215翘摆无油衬套；216平键；

22回转机构；221回转座；222回转座端盖；223回转电机；224轴承座；225转轴；226齿轮；227回转体；228回转推力轴承；229回转无油衬套；

23升降机构；231升降座；232升降柱；233齿条；234挡块；235摩擦板；236升降驱动装置；2361升降电机；2362传动齿轮；2363传动轴；2364带座轴承；237锁紧装置；2371锁紧座；2372压紧驱动装置；2373压紧滑块；2374摩擦块；

24空毂全回转推进系统；2401电机外壳；2402电机定子；2403线圈；2404转子；2405安装环；2406推力轴承；2407推力轴承座；2408橡胶环；2409旋转支撑体；2410耐磨铜套；2411径向轴承；2412径向轴承座；2413导流罩。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

如图1-12所示，一种内河船电力推进系统，包括电力系统1和可升降收放的全回转推进系统2；

电力系统1包括左、右舷两个电力单元，电力单元包括母线111、112，左、右舷两个电力单元的母线111、112通过开关113相连接，母线111、112功率输入侧通过带第一断路器303、313、343、353的电缆连接有两台恒速主发电机301、311、341、351，主发电机301、311、341、351输出端设有检测主发电机301、311、341、351的输出电压和输出电流的第一功率检测模块302、312、342、352，第一功率检测模块302、312、342、352与PLC控制器12连接；母线111、112功率输入侧通过带逆变器322、332以及第二断路器323、333的电缆连接有超级电容321、331；

母线111、112功率输出侧通过第三断路器411、421连接到AFE变频器412、422，AFE变频器412、422通过第六断路器414、424与主推进电机415、425相连，AFE变频器输出端设有检测AFE变频器输出电压与电流的第二功率检测模块413、423，第二功率检测模块413、423与PLC控制器12连接；

母线111、112通过电缆依次与第四断路器401、431、变压器402、432、第五断路器、以及日用负载405、435相连，变压器和第五断路器404、434之间设有与PLC控制器相连的用于检测日用负载405、435消耗的功率的第三功率检测模块403、433；

全回转推进装置2包括设置在船体211上的翘摆机构21，翘摆机构21包括设置在船体211上的绕水平轴线转动的转动盘213以及驱动转动盘213的翘摆驱动装置214，船体211上装有固定板212，转动盘213铰接在固定板212上，转动盘213和固定板212中间装有降低转动盘213转动时的摩擦力的翘摆无油衬套215。翘摆驱动装置214输出端伸出或缩回带动转动盘213转动，转动盘213上通过平键216连接有回转机构22，回转机构22包括回转座221，回转座221通过其上设置的转动轴与转动盘213相连接，在回转体227径向方向与回转座221之间装有用于降低转动摩擦力的回转无油衬套29，回转体227与回转座221之间装有回转推力轴承228，用于支撑回转体227，回转座221上装有回转座端盖22，回转座端盖22压紧回转推力轴承228以在轴向上固定回转体227。回转座221内腔装有可在回转座221腔内垂直于转动盘213盘面的平面上360°旋转的中空的回转体227，回转体227上设有沿回转体227中心轴方向运动的升降机构23，升降机构23上设有空毂全回转推进系统24；

回转体227内腔设有内齿圈；回转座221上装有回转电机223，回转电机223输出端与转轴225连接，转轴225与齿轮226连接，齿轮226与回转体227的内齿圈啮合，回转体227下端与升降机构23相连接；升降机构23包括筒状的升降座231，升降座231上端与回转体227下端连接，升降座231内腔活动装有升降柱232，升降柱232可在升降座231内腔中上下运动，升降柱232上设有沿长度方向布置的齿条233，升降座231上装有与齿条233对应的升降驱动装置236；升降驱动装置236包括安装在升降座231上的升降电机2361和带座轴承2364，升降电机2361输出端连接传动轴2363一端，传动轴2363另一端穿过带座轴承2364，传动轴2363上装有传动齿轮2362，传动齿轮2362与齿条233啮合，所述升降柱232顶端在齿条233处装有超出齿牙的以防止升降柱232从升降座231内腔中滑落的挡块234升降柱232底端连接所述空毂全回转推进系统24；

升降柱232上设有摩擦板235，升降座231上装有与摩擦板235相配合的摩擦锁紧机构。摩擦锁紧机构包括安装在升降座231上的锁紧座2371，锁紧座2371上装有压紧驱动装置2372，压紧驱动装置2372输出端连接有压紧滑块2373，压紧滑块2373上设有导向轴，导向轴穿过锁紧座2371上设置的导向孔，压紧滑块2373上装有摩擦块2374，当压紧驱动装置2372带动摩擦块2374伸出时，摩擦块2374与摩擦板235贴合以锁紧升降柱232；

空毂全回转推进系统24包括电机外壳2401，电机外壳2401内装有电机定子2402，电机定子2402上缠绕线圈2403；电机外壳2401内腔中装有转子2404，转子2404上装有安装环2405，安装环2405内壁上装有若干桨叶单元2414；线圈2403通电时，转子2404带动安装环2405在电机外壳2401内腔中旋转；

安装环2405两端分别套装有旋转支撑体2409，用于支撑安装环2405，电机外壳2401两端装有径向轴承座2412，径向轴承座2412外侧装有导流罩2413，旋转支撑体2409上装有耐磨铜套2410，耐磨铜套2410上套有径向轴承2411和推力轴承2406；径向轴承2411与径向轴承座2412配合，在径向方向支撑安装环2405，推力轴承座2407通过橡胶环2408紧靠在径向轴承座2412内侧，推力轴承2406与推力轴承座2407配合，在轴向方向支撑安装环2405，并且承担桨叶单元2414转动时产生的反作用力。

如图1-16所示，基于上述内河船电力推进系统的内河船航行控制方法，包括以下步骤：

步骤1：启动电力推进系统

启动一台发电机，通过设备运行参数监测模块获取发电机组输出功率P_W和船舶负荷功率P_L；船舶负荷功率P_L包括变频器输出功率和日用负载功率，当船舶负荷功率大于当前发电机组输出功率，且机组平均负荷达到85％后，启动蓄电池为母线补充功率，直至变频器输出功率小于当前发电机组输出功率；

若蓄电池放电时长超过蓄电池额定工作时长的90％，则启动备用机组，关闭蓄电池，此时备用机组为母线供电，补充功率，母线为蓄电池充电；当机组负荷低于30％时，自动停止一台机组运行，保证最小在网机组1台；

有大功率设备启动时，需要向功率管理系统发送重载问询请求，确认在网机组功率满足要求后才能允许启动，否则将启动备用机组并网后才允许启动；

步骤2：实时获取船舶航行参数

各个船舶监测模块实时获取所需的船舶航行参数；

通过定位导航模块获取船舶当前位置(x₀,y₀)、航速v₀和航向α₀；

通过设备运行参数监测模块获取左右两侧全回转推进系统转速n_L、n_R和角度β_L和β_R；

通过航行环境参数监测模块获取吃水深度、水流的方向和速度，风的方向和速度，以及航行目标航行轨迹内障碍物尺寸、运动方向和速度信息；

如图15所示，根据船舶航行需求，在固定坐标系(X₀,O₀,Y₀)下，设定船舶目标位置(x_P,y_P)、航速u_P和航向α_P，同时设定船舶从初始位置调整到目标位置所用的调整时间为T，T＝L/(k×v_E)；其中，L为初始位置和目标位置之间的距离，v_E为船舶设计航速，k为航行速度系数，(0<k≤1)；接着将固定坐标系下(X₀,O₀,Y₀)的航行参数转化到随船坐标系(X,O,Y)中，得到船舶前进距离△x、横移距离△y和航向偏角△ω；

步骤4：计算船舶航行调整过程的控制参数

根据设定的航行参数，计算t时刻船舶航行调整过程的控制参数，从式中计算得到在随船坐标系下X轴方向运动速度u(t)、Y轴方向运动速度v(t)和绕Z轴转动角速度ω(t)；

步骤5：计算外力作用于船舶的力和力矩

将实时采集的水流方向和速度、风的方向和速度、吃水深度、船舶航行速度和方向输入上位机的仿真计算软件，在软件中选择相应的船体模型后，计算得出得出t时刻，水流和风作用于船舶x轴方向的前进力F_Ex(t)、y轴方向的横移力F_Ey(t)和绕z轴转动的转动力矩M_E(t)；

步骤6：计算当前的全回转推进系统作用力和力矩

双全回转推进系统结构相同，并且对称布置在船艉，因此，双全回转推进系统同时作用于船舶上的力矩为

其中，a为全回转推进系统常规推力减额系数；b和c分别为通过实验得出的全回转推进系统推力对横移和转动力矩的影响系数；β_L和β_R分别为左右两侧全回转推进系统转动角度；F_L和F_R分别为左右两侧全回转推进系统的推力，全回转推进系统的推力F＝ρn²D⁴k；其中，ρ为水的密度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径；k为螺旋桨推力系数；

步骤7：计算所需的全回转推进系统作用力和力矩

根据设定的目标参数和外力作用条件，计算t时刻需要全回转推进系统额外作用于船舶x轴方向的前进力F_Px(t)、y轴方向的横移力F_Py(t)和绕z轴转动的转动力矩M_P(t)；

船舶的运动方程如下，从式中计算得到F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)；

式中：m为船舶质量；m_x和m_y分别为运动坐标系x和y轴方向上的附加质量；I_z和J_z分别为船舶绕z轴的转动惯量和附加转动惯量；

步骤8：计算所需的全回转推进系统转速和角度

船舶调整过程中，两侧全回转推进系统采取相同操作，即取β＝β_PL＝β_PR，取n＝n_PL＝n_PR，根据步骤6中的计算公式，由F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)，计算得到t时刻所需的全回转推进系统角度β和螺旋桨转速n；

步骤9：控制变频器输出功率

根据所需的螺旋桨转速n，得到航行过程中推进电机所需的负载功率，并由此计算出相应的电压电流以调节变频器输出的电压电流曲线，使之与所需的负载电压电流曲线贴合，保持变频器输出功率匹配实际负载功率；

步骤10：控制全回转推进系统角度

根据t时刻的全回转推进系统角度β，控制旋转电机转动到对应角度；若β>β₀，当β-β₀>180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β，当β-β₀<180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β；若β<β₀，当β₀-β>180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β，当β₀-β<180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β；

步骤11：航行轨迹障碍物碰撞判断

如图16所示，船舶自动航行过程中，环境参数监测模块通过摄像机实时采集船舶航行轨迹内图像，根据图像判断航行区域内是否出现障碍物或船只；当船舶由现行位置A驶向目标位置B时，若航行区域内出现障碍物C，控制系统先发出障碍物碰撞警告，并提醒操作员重新设定航行目标参数；若无操作员响应障碍物碰撞警告，则控制系统自动更改航行目标参数；控制系统从采集的图像中判断障碍物C垂直于航线方向的长度尺寸，并判断障碍物移动方向，判定障碍物是向船舶左侧还是右侧运动即可，若障碍物向船舶向某侧移动，则在原航线轨迹基础上向相反一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；若障碍物不动，则在原航线轨迹基础上向任意一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；到达新的目标位置A1后沿平行于原轨迹方向移动直至船舶运动超过障碍物后到达设定的转向位置A2，然后由转向位置A2继续向原目标位置B行驶。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种内河船电力推进系统，包括电力系统和可升降收放的全回转推进系统；电力系统包括左、右舷两个电力单元，电力单元包括母线，左、右舷两个电力单元的母线通过开关相连接，母线功率输入侧通过带第一断路器的电缆连接有至少两台恒速主发电机，主发电机输出端设有检测主发电机的输出电压和输出电流的第一功率检测模块，第一功率检测模块与PLC控制器连接；母线功率输入侧通过带逆变器以及第二断路器的电缆连接有超级电容；母线功率输出侧通过第三断路器连接到AFE变频器，AFE变频器通过第六断路器与主推进电机相连，AFE变频器输出端设有检测AFE变频器输出电压与电流的第二功率检测模块，第二功率检测模块与PLC控制器连接；母线通过电缆依次与第四断路器、变压器、第五断路器、以及日用负载相连，变压器和第五断路器之间设有与PLC控制器相连的用于检测日用负载消耗的功率的第三功率检测模块；其特征在于：所述全回转推进装置，包括设置在船体上的翘摆机构，翘摆机构包括设置在船体上的绕水平轴线转动的转动盘以及驱动转动盘的翘摆驱动装置，翘摆驱动装置输出端伸出或缩回带动转动盘转动，转动盘上连接有回转机构，回转机构包括回转座，回转座通过其上设置的转动轴与转动盘相连接，回转座内腔装有可在回转座腔内垂直于转动盘盘面的平面上360°旋转的中空的回转体，回转体上设有沿回转体中心轴方向运动的升降机构，升降机构上设有空毂全回转推进系统；回转体内腔设有内齿圈；回转座上装有回转电机，回转电机输出端与转轴连接，转轴与齿轮连接，齿轮与回转体的内齿圈啮合，回转体下端与升降机构相连接；空毂全回转推进系统包括电机外壳，电机外壳内装有电机定子，电机定子上缠绕线圈；电机外壳内腔中装有转子，转子上装有安装环，安装环内壁上装有若干桨叶单元；线圈通电时，转子带动安装环在电机外壳内腔中旋转。

2.如权利要求1所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述升降机构包括筒状的升降座，升降座上端与回转体下端连接，升降座内腔活动装有升降柱，升降柱可在升降座内腔中上下运动，升降柱上设有沿长度方向布置的齿条，升降座上装有与齿条对应的升降驱动装置；升降柱底端连接所述空毂全回转推进系统。

3.如权利要求2所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述升降柱上设有摩擦板，升降座上装有与摩擦板相配合的摩擦锁紧机构。

4.如权利要求3所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述摩擦锁紧机构包括安装在升降座上的锁紧座，锁紧座上装有压紧驱动装置，压紧驱动装置输出端连接有压紧滑块，压紧滑块上设有导向轴，导向轴穿过锁紧座上设置的导向孔，压紧滑块上装有摩擦块，当压紧驱动装置带动摩擦块伸出时，摩擦块与摩擦板贴合以锁紧升降柱。

5.如权利要求4所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述安装环两端分别套装有旋转支撑体，用于支撑安装环，电机外壳两端装有径向轴承座，径向轴承座外侧装有导流罩，旋转支撑体上装有耐磨铜套，耐磨铜套上套有径向轴承和推力轴承。

6.如权利要求5所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述转动盘和船体上的固定板中间装有降低转动盘转动时的摩擦力的翘摆无油衬套。

7.如权利要求6所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：在回转体径向方向与回转座之间装有用于降低转动摩擦力的回转无油衬套，回转体与回转座之间装有回转推力轴承，用于支撑回转体。

8.如权利要求7所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：回转座上装有回转座端盖，回转座端盖压紧回转推力轴承以在轴向上固定回转体。

9.如权利要求1-8中任一项所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述升降驱动装置包括安装在升降座上的升降电机和带座轴承，升降电机输出端连接传动轴一端，传动轴另一端穿过带座轴承，传动轴上装有传动齿轮，传动齿轮与齿条啮合。

10.一种包含上述权利要求1-9中任一项所述的内河船电力推进系统的内河船航行控制方法，包括以下步骤：

步骤1：启动电力推进系统

启动一台发电机，通过设备运行参数监测模块获取发电机组输出功率P_W和船舶负荷功率P_L；船舶负荷功率P_L包括变频器输出功率和日用负载功率，当船舶负荷功率大于当前发电机组输出功率，且机组平均负荷达到85％后，启动蓄电池为母线补充功率，直至变频器输出功率小于当前发电机组输出功率；

若蓄电池放电时长超过蓄电池额定工作时长的90％，则启动备用机组，关闭蓄电池，此时备用机组为母线供电，补充功率，母线为蓄电池充电；当机组负荷低于30％时，自动停止一台机组运行，保证最小在网机组1台；

有大功率设备启动时，需要向功率管理系统发送重载问询请求，确认在网机组功率满足要求后才能允许启动，否则将启动备用机组并网后才允许启动；

步骤2：实时获取船舶航行参数

各个船舶监测模块实时获取所需的船舶航行参数；

通过定位导航模块获取船舶当前位置(x₀,y₀)、航速v₀和航向α₀；

通过设备运行参数监测模块获取左右两侧全回转推进系统转速n_L、n_R和角度β_L和β_R；

通过航行环境参数监测模块获取吃水深度、水流的方向和速度，风的方向和速度，以及航行目标航行轨迹内障碍物尺寸、运动方向和速度信息；

根据船舶航行需求，在固定坐标系(X₀,O₀,Y₀)下，设定船舶目标位置(x_P,y_P)、航速u_P和航向α_P，同时设定船舶从初始位置调整到目标位置所用的调整时间为T，T＝L/(k×v_E)；其中，L为初始位置和目标位置之间的距离，v_E为船舶设计航速，k为航行速度系数，(0<k≤1)；接着将固定坐标系下(X₀,O₀,Y₀)的航行参数转化到随船坐标系(X,O,Y)中，得到船舶前进距离△x、横移距离△y和航向偏角△ω；

步骤4：计算船舶航行调整过程的控制参数

根据设定的航行参数，计算t时刻船舶航行调整过程的控制参数，从式中计算得到在随船坐标系下X轴方向运动速度u(t)、Y轴方向运动速度v(t)和绕Z轴转动角速度ω(t)；

步骤5：计算外力作用于船舶的力和力矩

将实时采集的水流方向和速度、风的方向和速度、吃水深度、船舶航行速度和方向输入上位机的仿真计算软件，在软件中选择相应的船体模型后，计算得出得出t时刻，水流和风作用于船舶x轴方向的前进力F_Ex(t)、y轴方向的横移力F_Ey(t)和绕z轴转动的转动力矩M_E(t)；

步骤6：计算当前的全回转推进系统作用力和力矩

双全回转推进系统结构相同，并且对称布置在船艉，因此，双全回转推进系统同时作用于船舶上的力矩为

其中，a为全回转推进系统常规推力减额系数；b和c分别为通过实验得出的全回转推进系统推力对横移和转动力矩的影响系数；β_L和β_R分别为左右两侧全回转推进系统转动角度；F_L和F_R分别为左右两侧全回转推进系统的推力，全回转推进系统的推力F＝ρn²D⁴k；其中，ρ为水的密度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径；k为螺旋桨推力系数；

步骤7：计算所需的全回转推进系统作用力和力矩

根据设定的目标参数和外力作用条件，计算t时刻需要全回转推进系统额外作用于船舶x轴方向的前进力F_Px(t)、y轴方向的横移力F_Py(t)和绕z轴转动的转动力矩M_P(t)；

船舶的运动方程如下，从式中计算得到F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)；

式中：m为船舶质量；m_x和m_y分别为运动坐标系x和y轴方向上的附加质量；I_z和J_z分别为船舶绕z轴的转动惯量和附加转动惯量；

步骤8：计算所需的全回转推进系统转速和角度

船舶调整过程中，两侧全回转推进系统采取相同操作，即取β＝β_PL＝β_PR，取n＝n_PL＝n_PR，根据步骤6中的计算公式，由F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)，计算得到t时刻所需的全回转推进系统角度β和螺旋桨转速n；

步骤9：控制变频器输出功率

根据所需的螺旋桨转速n，得到航行过程中推进电机所需的负载功率，并由此计算出相应的电压电流以调节变频器输出的电压电流曲线，使之与所需的负载电压电流曲线贴合，保持变频器输出功率匹配实际负载功率；

步骤10：控制全回转推进系统角度

根据t时刻的全回转推进系统角度β，控制旋转电机转动到对应角度；若β>β₀，当β-β₀>180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β，当β-β₀<180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β；若β<β₀，当β₀-β>180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β，当β₀-β<180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β；

步骤11：航行轨迹障碍物碰撞判断

船舶自动航行过程中，环境参数监测模块通过摄像机实时采集船舶航行轨迹内图像，根据图像判断航行区域内是否出现障碍物或船只；当船舶由现行位置A驶向目标位置B时，若航行区域内出现障碍物C，控制系统先发出障碍物碰撞警告，并提醒操作员重新设定航行目标参数；若无操作员响应障碍物碰撞警告，则控制系统自动更改航行目标参数；控制系统从采集的图像中判断障碍物C垂直于航线方向的长度尺寸，并判断障碍物移动方向，判定障碍物是向船舶左侧还是右侧运动即可，若障碍物向船舶向某侧移动，则在原航线轨迹基础上向相反一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；若障碍物不动，则在原航线轨迹基础上向任意一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；到达新的目标位置A1后沿平行于原轨迹方向移动直至船舶运动超过障碍物后到达设定的转向位置A2，然后由转向位置A2继续向原目标位置B行驶。

Images