CN112829897A - 一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法及其系统 - Google Patents

一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法及其系统 Download PDF

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Abstract

一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法及其系统，包括步骤S1，获取左右两个舵机(3)的扭矩及舵角角度数据，判断舵机(3)是否异常；步骤S2，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据，判断螺旋桨推力是否异常；步骤S3‑1，获取电池功率，推算船模转速；步骤S3‑2，判断电池功率是否异常；步骤S4，若舵机(3)异常报警、螺旋桨(4)异常报警、电池功率异常，则进行报警；监测舵机(3)、电机(5)及电池(8)的效能，发生异常进行报警，可提高试验结果精度及保证船模的安全性，发生异常时控制所述电机(5)转速及所述舵机(3)的联动运转及舵角，能实时反映控制船模运转状态。

Description

一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法及其系统
技术领域
本发明涉及船模监测预警技术领域，尤其是一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法及其系统。
背景技术
基于水工/河工模型的小尺度遥控自航船模是研究船舶与水流相互作用、反映船舶操纵参数的重要手段，相比于数学模型和基于数模模型的船舶模拟器，具有直观性强、精度高的优势，被广泛应用于山区航道整治和重大工程通航建筑物的研究；自航船模操纵试验可综合体现船舶与水流的相互耦合作用，用于航道条件评价与通航建筑物设计优化等；但实际应用中，船模操纵人员在试验中无法实时获取船模动力系统状态与船体运动姿态，易导致误判，最终影响试验结果精度；现有自航船模试验技术存在其局限性，如操纵者难以克服的时间比尺问题、人工驾驶随机性问题、螺旋桨等船模部件发生故障未能及时显示等；其中自航船模在物理模型试验中，船模零部件发生故障直接影响船模航行方向及航行动力、船模漂角和舵角等参数，甚至关系到船模航行的安全性；同一试验下，不同船模操纵者在遇到不利航行条件时反应时间及操作习惯在模型试验结论中对判别通航水流条件有较大偏差，因此需要实时监测重要零件的效能并及时报警。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法及其系统。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，包括以下步骤：
步骤S1，获取左右两个舵机的扭矩及舵角角度数据，判断舵机是否异常；
步骤S2，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据，判断螺旋桨推力是否异常。
优选的，所述步骤S1包括：
步骤S1-1，分别获取同一时刻左舵右舵两个舵机的扭矩及舵角角度数据；
步骤S1-2，计算左舵与右舵舵角差的绝对值：
deltα＝|αL-αR| (1-1)
计算左舵与右舵扭矩偏差：
Figure BDA0002924847850000021
步骤S1-3，判断左舵右舵舵角是否同步。
优选的，所述步骤S1还包括：
步骤S1-4，分别获取不同时刻左舵右舵两个舵机的扭矩及舵角角度数据，
步骤S1-5，计算右舵舵角时间变幅：
deltαTR＝|αR,n-αR,n-1| (1-3)
计算左舵舵角时间变幅：
deltαTL＝|αL,n-αL,n-1| (1-4)
计算左舵扭矩时间变幅：
Figure BDA0002924847850000022
计算右舵扭矩时间变幅：
Figure BDA0002924847850000023
其中：
n为当前时刻，n-1为前一时刻；
deltαTR为右舵舵角时间变幅；
deltαTL为左舵舵角时间变幅；
deltNTL为左舵扭矩时间变幅；
deltNTR为右舵扭矩时间变幅；
步骤S1-6，判断左舵右舵两个舵机是否异常。
优选的，所述步骤S2包括：
步骤S2-1，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据；
步骤S2-2，推算螺旋桨推力：
NC＝f(ω) (2-1)
步骤S2-3，判断螺旋桨是否异常
若
Figure BDA0002924847850000031
螺旋桨异常
其中：
ω—螺旋桨实测转速；
NC—推算螺旋桨推力；
Nm——实测螺旋桨推力。
优选的，还包括：
步骤S3-1，获取电池功率，推算船模转速；
Ω＝f(W) (3-1)
步骤S3-2，判断电池功率是否异常；
若
Figure BDA0002924847850000032
电池功率异常 (3-2)
其中：
W—电池功率；
Ω—螺旋桨推算转速；
ω—螺旋桨实测转速。
优选的，还包括：
步骤S4，若舵机异常报警、螺旋桨异常报警、电池功率异常，则进行报警。
一种用于自航船模的航行状态智能监测报警系统，包括电机、螺旋桨及舵机、舵角监测模块及螺旋桨监测模块；所述舵角监测模块设置在舵机轴上方；所述螺旋桨监测模块设置在所述电机后侧。
优选的，所述舵角监测模块包括扭矩传感器及角度传感器；所述螺旋桨监测模块包括压力传感器及转速传感器。
优选的，还包括控制器，所述控制器连接所述转速传感器、所述压力传感器、所述扭矩传感器、所述扭矩传感器、所述电机及所述舵机。
优选的，还包括与所述控制器连接的姿态监测模块及电池功率监测模块；所述姿态监测模块包括设置在船模上的九轴传感器。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明一种用于自航船模的航行状态智能监测方法包括步骤S1，获取左右两个舵机的扭矩及舵角角度数据，判断舵机是否异常；步骤S2，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据，判断螺旋桨推力是否异常；步骤S3-1，获取电池功率，推算船模转速；步骤S3-2，判断电池功率是否异常；步骤S4，若舵机异常报警、螺旋桨异常报警、电池功率异常，则进行报警；监测舵机、电机及电池的效能，发生异常进行报警，可提高试验结果精度及保证船模的安全性。
2.本发明一种用于自航船模的航行状态智能监测系统包括控制器及与所述控制器连接的转速传感器、压力传感器、扭矩传感器、扭矩传感器、电机、舵机，控制器监测处理所述转速传感器、所述压力传感器、所述扭矩传感器、所述扭矩传感器的数据，发生异常时控制所述电机转速及所述舵机的联动运转及舵角，能实时反映控制船模运转状态。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的异常判断流程图；
图3是本发明的监控系统布局图；
图中：1、扭矩传感器；2、角度传感器；3、舵机；4、螺旋桨；5、电机；6、压力传感器；7、控制器；8、电池；9、转速传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1-3所示，本发明所述一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，包括以下步骤：
步骤S1，获取左右两个舵机3的扭矩及舵角角度数据，判断舵机3是否异常；
步骤S2，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据，判断螺旋桨推力是否异常。
进一步地，所述步骤S1包括：
步骤S1-1，分别获取同一时刻左舵右舵两个舵机3的扭矩及舵角角度数据；
步骤S1-2，计算左舵与右舵舵角差的绝对值：
deltα＝|αL-αR| (1-1)
计算左舵与右舵扭矩偏差：
Figure BDA0002924847850000061
步骤S1-3，判断左舵右舵舵角是否同步。
具体的，所述扭矩传感器1及所述角度传感器2设置在舵机3轴上方，分别采集左舵右舵两个舵机3的扭矩及舵角角度数据，分别获取同一时刻左舵右舵两个舵机3的扭矩及舵角角度数据，代入公式(1-1)计算左舵与右舵舵角差的绝对值，左舵与右舵舵角差大于1°，判断舵角不同步；左舵与右舵舵角差小于等于1°，通过下一步骤判断左舵右舵舵效是否异常。
进一步地，所述步骤S1还包括：
步骤S1-4，分别获取不同时刻左舵右舵两个舵机3的扭矩及舵角角度数据，
步骤S1-5，计算右舵舵角时间变幅：
deltαTR＝|αR,n-αR,n-1| (1-3)
计算左舵舵角时间变幅：
deltαTL＝|αL,n-αL,n-1| (1-4)
计算左舵扭矩时间变幅：
Figure BDA0002924847850000071
计算右舵扭矩时间变幅：
Figure BDA0002924847850000072
其中：
n为当前时刻，n-1为前一时刻；
deltαTR为右舵舵角时间变幅；
deltαTL为左舵舵角时间变幅；
deltNTL为左舵扭矩时间变幅；
deltNTR为右舵扭矩时间变幅；
步骤S1-6，判断左舵右舵两个舵机3是否异常。
具体的，所述扭矩传感器1及所述角度传感器2设置在舵机3轴上方，分别采集左舵右舵两个舵机3的扭矩及舵角角度数据，分别获取不同时刻左舵右舵两个舵机3的扭矩及舵角角度数据，通过公式(1-3)及公式(1-6)分别计算右舵舵角时间变幅及右舵扭矩时间变幅，右舵舵角时间变幅大于5°及右舵扭矩时间变幅小于5°，则判断右舵舵效异常；通过公式(1-4)及公式(1-5)分别计算左舵舵角时间变幅及左舵扭矩时间变幅，左舵舵角时间变幅大于5°及左舵扭矩时间变幅小于5°，则判断左舵舵效异常；任一舵角时间变幅大于10°及其扭矩时间变幅小于20°，则判断双舵舵效异常。
进一步地，所述步骤S2包括：
步骤S2-1，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据；
步骤S2-2，推算螺旋桨推力：
NC＝f(ω) (2-1)
步骤S2-3，判断螺旋桨4是否异常
若
Figure BDA0002924847850000081
螺旋桨4异常
其中：
ω—螺旋桨实测转速；
NC—推算螺旋桨推力；
Nm——实测螺旋桨推力。
具体的，所述压力传感器6及所述转速传感器9设置在所述电机5后侧，分别采集所述螺旋桨4的螺旋桨实际推力数据及螺旋桨实测转速，将测得的所述螺旋桨实测转速通过公式(2-1)，推算螺旋桨推力NC，所述压力传感器6采集的螺旋桨实际推力Nm，若
Figure BDA0002924847850000082
则判断螺旋桨4异常。
进一步地，还包括：
步骤S3-1，获取电池功率，推算船模转速；
Ω＝f(W) (3-1)
步骤S3-2，判断电池功率是否异常；
若
Figure BDA0002924847850000083
电池功率异常 (3-2)
其中：
W—电池功率；
Ω—螺旋桨推算转速；
ω—螺旋桨实测转速。
具体的，还包括与所述控制器7连接的电池功率监测模块；所述电池功率监测模块与所述船模的电池8连接用于采集所述船模的电压电流及功率数据，将采集的功率数据代入公式(3-1)推算所述船模转速Ω，所述转速传感器9采集螺旋桨实测转速ω，若
Figure BDA0002924847850000091
则判断电池功率异常。
进一步地，还包括：
步骤S4，若舵机3异常报警、螺旋桨4异常报警、电池功率异常，则进行报警。
具体的，还包括与所述控制器7连接的姿态监测模块；所述姿态监测模块包括设置在船模上的九轴传感器用于采集所述船模X/Y/Z三个方向加速度、角速度及角度，可对应监测所述船模横摇、纵摇、旋转、使用，使用地磁角数据辅助监测船模方向；所述控制器7还通过所述无线通讯模块连接上位机，所述无线通讯模块包括无线路由器，通过无线进行数据传输，所述上位机显示所述船模工作状态及船模姿态数据，可对所述舵机3异常报警、螺旋桨4异常报警、电机5动异常报警。
进一步地，一种用于自航船模的航行状态智能监测报警系统，包括电机5、螺旋桨4及舵机3、舵角监测模块及螺旋桨4监测模块；所述舵角监测模块设置在舵机3轴上方；所述螺旋桨4监测模块设置在所述电机5后侧；所述舵角监测模块包括扭矩传感器1及角度传感器2；所述螺旋桨4监测模块包括压力传感器6及转速传感器9；
具体的，所述航机调节角度为-40°～40°，角速度量程为±2000度/秒、角速度稳定性为7.6e-3°/s、角度测量范围为±180°；所述扭矩传感器1(产商：久制，型号：NC10C)、所述角度传感器2(产商：深圳市强芯电子有限公司，型号：AA622)、所转速传感器9(产商：南京新捷中旭微电子有限公司，型号：HMS-A-02)、压力传感器6(产商：佳宝丽，型号：SBT微型压力)，所述压力传感器6及所述转速传感器9设置在所述电机5后侧，分别采集所述螺旋桨4的螺旋桨实际推力数据及螺旋桨实测转速；所述扭矩传感器1及所述角度传感器2设置在舵机3轴上方，分别采集左舵右舵两个舵机3的扭矩及舵角角度数据；通过码盘监测两个电机5实时转速。
进一步地，还包括控制器7，所述控制器7连接所述转速传感器9、所述压力传感器6、所述扭矩传感器1及所述扭矩传感器1；具体的，所述转速传感器9、所述压力传感器6、所述扭矩传感器1及所述扭矩传感器1将采集的数据传输至所述控制器7进行数据处理，所述控制器7采用STM32F103系列MCU；所述控制器7与所述电机5、所述舵机3连接，控制所述电机5转速及所述舵机3的联动运转及舵角。
进一步地，还包括与所述控制器7连接的姿态监测模块及电池功率监测模块；所述姿态监测模块包括设置在船模上的九轴传感器用于采集所述船模X/Y/Z三个方向加速度、角速度及角度，可对应监测所述船模横摇、纵摇、旋转、使用，使用地磁角数据辅助监测船模方向；所述电池功率监测模块与所述船模的电池8连接用于采集所述船模的电压电流及功率数据，所述电池功率监测模块及所述姿态监测模块将采集的数据传输至所述控制器7进行数据处理。
进一步地，所述控制器7还通过所述无线通讯模块连接上位机，所述无线通讯模块包括无线路由器，通过无线进行数据传输，所述上位机显示所述船模工作状态及船模姿态数据，可对所述舵机3异常报警、螺旋桨4异常报警、电机5动异常报警。
本发明一种用于自航船模的航行状态智能监测方法及其系统，包括步骤S1，获取左右两个舵机3的扭矩及舵角角度数据，判断舵机3是否异常；步骤S2，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据，判断螺旋桨推力是否异常；步骤S3-1，获取电池功率，推算船模转速；步骤S3-2，判断电池功率是否异常；步骤S4，若舵机3异常报警、螺旋桨4异常报警、电池功率异常，则进行报警；监测舵机3、电机5及电池8的效能，发生异常进行报警，可提高试验结果精度及保证船模的安全性，发生异常时控制所述电机5转速及所述舵机3的联动运转及舵角，能实时反映控制船模运转状态。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，获取左右两个舵机(3)的扭矩及舵角角度数据，判断舵机(3)是否异常；
步骤S2，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据，判断螺旋桨推力是否异常。
2.根据权利要求1所述一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，其特征在于：所述步骤S1包括：
步骤S1-1，分别获取同一时刻左舵右舵两个舵机(3)的扭矩及舵角角度数据；
步骤S1-2，计算左舵与右舵舵角差的绝对值：
deltα＝|αL-αR| (1-1)
计算左舵与右舵扭矩偏差：
Figure FDA0002924847840000011
步骤S1-3，判断左舵右舵舵角是否同步。
3.根据权利要求1所述一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，其特征在于：所述步骤S1还包括：
步骤S1-4，分别获取不同时刻左舵右舵两个舵机(3)的扭矩及舵角角度数据，
步骤S1-5，计算右舵舵角时间变幅：
deltαTR＝|αR，n-αR，n-1| (1-3)
计算左舵舵角时间变幅：
deltαTL＝|αL，n-αL，n-1| (1-4)
计算左舵扭矩时间变幅：
Figure FDA0002924847840000021
计算右舵扭矩时间变幅：
Figure FDA0002924847840000022
其中：
n为当前时刻，n-1为前一时刻；
deltαTR为右舵舵角时间变幅；
deltαTL为左舵舵角时间变幅；
deltNTL为左舵扭矩时间变幅；
deltNTR为右舵扭矩时间变幅；
步骤S1-6，判断左舵右舵两个舵机(3)是否异常。
4.根据权利要求1所述一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
步骤S2-1，获取螺旋桨实测转速及螺旋桨实际推力数据；
步骤S2-2，推算螺旋桨推力：
NC＝f(ω) (2-1)
步骤S2-3，判断螺旋桨(4)是否异常
若
Figure FDA0002924847840000023
螺旋桨(4)异常
其中：
ω-螺旋桨实测转速；
NC-推算螺旋桨推力；
Nm——实测螺旋桨推力。
5.根据权利要求1所述一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，其特征在于：还包括：
步骤S3-1，获取电池功率，推算船模转速；
Ω＝f(W) (3-1)
步骤S3-2，判断电池功率是否异常；
若
Figure FDA0002924847840000031
电池功率异常 (3-2)
其中：
W-电池功率；
Ω螺旋桨推算转速；
ω-螺旋桨实测转速。
6.根据权利要求1所述一种用于自航船模的航行状态智能监测预警方法，其特征在于：还包括：
步骤S4，若舵机(3)异常报警、螺旋桨(4)异常报警、电池功率异常，则进行报警。
7.一种用于自航船模的航行状态智能监测报警系统，包括电机(5)、螺旋桨(4)及舵机(3)；其特征在于：还包括舵角监测模块及螺旋桨(4)监测模块；所述舵角监测模块设置在舵机(3)轴上方；所述螺旋桨(4)监测模块设置在所述电机(5)后侧。
8.根据权利要求7所述一种用于自航船模的航行状态智能监测报警系统，其特征在于：所述舵角监测模块包括扭矩传感器(1)及角度传感器(2)；所述螺旋桨(4)监测模块包括压力传感器(6)及转速传感器(9)。
9.根据权利要求8所述一种用于自航船模的航行状态智能监测报警系统，其特征在于：还包括控制器(7)，所述控制器(7)连接所述转速传感器(9)、所述压力传感器(6)、所述扭矩传感器(1)、所述扭矩传感器(1)、所述电机(5)及所述舵机(3)。
10.根据权利要求7所述一种用于自航船模的航行状态智能监测报警系统，其特征在于：还包括与所述控制器(7)连接的姿态监测模块及电池功率监测模块；所述姿态监测模块包括设置在船模上的九轴传感器。
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