CN113266665A - 一种无人船浮筏隔振装置及隔振方法 - Google Patents

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Abstract

一种无人船浮筏隔振装置及隔振方法属于无人船隔振技术领域，目的在于解决现有技术存在的现有无人船浮筏隔振装置只能针对上下方向的振动进行被动隔离，无法实时智能化动态调整隔振频段等问题。本发明包括：固定平台；设置在固定平台上的基座；平行设置在基座上方的机组安装平台；设置在机组安装平台下方的浮筏；隔振调节单元，隔振调节单元至少包括作动器以及电磁铁，多个作动器均匀连接在浮筏和基座之间，多对电磁铁均匀分布在浮筏侧面和固定平台之间；以及电源模块和树莓派控制器，电源模块和树莓派控制器、作动器以及电磁铁连接供电，树莓派控制器和作动器连接提供电压，和电磁铁连接提供电流。

Description

一种无人船浮筏隔振装置及隔振方法
技术领域
本发明属于无人船隔振技术领域，尤其涉及一种无人船浮筏隔振装置及隔振方法。
背景技术
浮筏隔振是一种应用于船舶上的隔振降噪装置，其能降低船舶动力系统中机组激励源传递至设备外壳上的机器振动，提高工作时稳定性，延长仪器设备使用寿命。随着第三次工业革命信息技术产业的大发展，无人装备制造领域取得了快速发展，无人船作为海洋技术发展的产物，可以执行相应高风险，复杂任务，广泛应用于各类水上作业，但现有无人船大多安装的浮筏隔振装置属于被动式隔振，将设备振动源和安装之间的刚性连接改为弹性连接，通过衰减振动能源传递，从而实现减震降噪的目的。这种隔振方式未实现智能化宽频段设计只能针对某一频段范围的振动产生良好的隔振效果，无法对全频段以及不同方向的振动进行隔振，若无人船的运行状况发生变化，系统的结构和参数无法随着外界环境以及激励的变化进行调节，隔振效果有可能会失效甚至恶化。
目前浮筏隔振装置研究较多，但针对无人船平台研究较少，公开号CN102644694A的中国专利公开了一种船用机械设备弹性基础浮筏隔振系统，该专利所阐述的浮筏隔振系统利用机组隔振器、筏体隔振器和浮动筏体组成的隔振系统在一定程度上能降低船舶机械正常运行时的噪声，但系统无法针对环境扰动主动调整刚度，难以避免共振现象的产生；公开号CN103453068B的中国专利公开了一种调频式浮筏隔振装置，隔振器同浮筏之间、隔振器和安装平台之间、隔振器和基座之间都是球面配合，能够实现对各方向噪声的隔离，且通过人工手动调节弹簧圈来改变隔振弹簧的有效圈数实现隔振频段的调节，但实际操作过于繁琐且精度较差；公开号CN107061604A的中国专利公开了一种半主动控制浮筏隔振系统，通过计算机处理第一传感器和第二传感器的速度信号，实现可控阻尼器的开启和关闭，进一步提高了浮筏隔振系统的稳定性，但由于设备体积较大，实际安装空间有限，效果也不尽人意。
发明内容
本发明的目的在于提出一种无人船浮筏隔振装置及隔振方法，解决现有技术存在的现有无人船浮筏隔振装置只能针对上下方向的振动进行被动隔离，无法实时智能化动态调整隔振频段等问题。
为实现上述目的，本发明的一种无人船浮筏隔振装置包括：
固定平台；
设置在所述固定平台上的基座；
平行设置在所述基座上方的机组安装平台；
设置在所述机组安装平台下方的浮筏；
隔振调节单元，所述隔振调节单元至少包括作动器以及电磁铁，多个所述作动器均匀连接在所述浮筏和所述基座之间，多对所述电磁铁均匀分布在所述浮筏侧面和所述固定平台之间；
以及电源模块和树莓派控制器，所述电源模块和所述树莓派控制器、作动器以及电磁铁连接供电，所述树莓派控制器和所述作动器连接提供电压，和所述电磁铁连接提供电流。
所述机组安装平台包括：
安装板，所述安装板上均匀分布多个孔洞；
以及设置在所述安装板下端面的多个参考传感器。
所述参考传感器为MPU6050加速度传感器或ADXL335加速度传感器；所述参考传感器的数量为两个。
所述浮筏为一体式结构，包括和所述机组安装平台平行设置的主筏架以及设置在所述主筏架下端的副筏架；所述电磁铁位于所述副筏架侧面和所述固定平台之间，所述作动器上端和所述主筏架连接，下端和所述基座连接。
所述隔振调节单元还包括：
多个上层隔振器，多个所述上层隔振器均匀分布在所述机组安装平台的安装板和浮筏的主筏架之间；
多个下层隔振器，多个所述下层隔振器均匀分布在所述主筏架和所述基座之间；
以及多个误差传感器，多个所述误差传感器和多个所述作动器一一对应，每个所述误差传感器和对应的作动器之间的间隔小于等于1厘米。
所述上层隔振器为BE-25橡胶金属隔振器；所述上层隔振器的数量为15个，三排五列排布。
所述下层隔振器为YS-130-2V气囊隔振器；所述下层隔振器的数量为四个。
所述作动器为压电陶瓷作动器。
所述误差传感器为MPU6050加速度传感器或ADXL335加速度传感器。
基于一种无人船浮筏隔振装置的隔振方法包括以下步骤：
步骤一：通过参考传感器检测获得位于所述机组安装平台上方的无人船动力仓机组激励源的振动信号P(k)并传输至树莓派控制器；
步骤二：树莓派控制器对步骤一中获得的振动信号P(k)进行处理提取振动信号特征，并判断振动信号P(k)的振动方向和振动频率；若振动方向为上下方向同时为低频信号时，执行步骤三；若振动方向为上下方向同时为高频信号时，执行步骤七；若振动方向为其他方向时，执行步骤八；
步骤三：树莓派控制器根据PID控制算法输出电压Y(k)并施加在多个作动器上，使每个作动器得到与步骤一中获得的振动信号P(k)反向的振动信号；
步骤四：通过多个误差传感器分别检测获取多个作动器对应位置的隔振振动信号S(k)，并计算获得每个作动器位置处的误差e(k)＝|S(k)-P(k)|；并将误差反馈至树莓派控制器；
步骤五：树莓派控制器根据每个作动器对应位置处的误差输出对应作动器的电压值；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直到误差在设定的数值范围内，作动器停止运动；
步骤七：采用下层隔振器被动隔振；
步骤八：树莓派控制器通过调整电磁铁的通电电流使得多对电磁铁产生的电磁力与整体振动信号抵消，实现力的平衡，最大程度上保证装置的稳定。
本发明的有益效果为：
1、本发明针对上下方向的振动噪声采用混合主被动隔振方案，被动气囊隔振器具有方便安装、承载大、结构尺寸小、固有频率低、高频隔振性能好等优点，能显著降低无人船的结构噪声，拓宽浮筏隔振系统的振动隔离频段，改善中高频的隔振效果；而主动压电作动器根据设定的控制规律能动态地调整系统的支撑特性参数，改善装置的低频以及谐振频率附近的减振问题，大幅度降低了无人船的机械噪声，提高了其水面作业的可靠性和鲁棒性。
2、本发明通过引入非接触式电磁铁，使用时根据控制器反馈的传感器数据，可调节浮筏与基座之间的作用力大小，能够有效实现对不同方向的振动进行隔离，进一步提高本发明的吸能隔振效果。
3、本发明采用树莓派控制器作为数据处理单元，体积小，成本低，处理速度快，能够实时根据传感器数据动态调整作动器的伸缩和电磁铁电磁力的大小，实现了装备智能化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的剖视图；
图4为本发明中浮筏的爆炸图；
图5为本发明中基座的结构示意图；
图6为本发明中固定平台的结构示意图；
图7为本发明的结构原理框图；
图8为本发明控制方法流程图；
其中：1、机组安装平台，101、安装板，102、参考传感器，2、浮筏，201、主筏架，202、副筏架，3、隔振调节单元，301、上层隔振器，302、作动器，303、下层隔振器，304、误差传感器，305、电磁铁，4、固定平台，5、电源模块，6、树莓派控制器，7、基座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1-附图8，本发明的一种无人船浮筏隔振装置包括：
固定平台4；
设置在所述固定平台4上的基座7；
平行设置在所述基座7上方的机组安装平台1；
设置在所述机组安装平台1下方的浮筏2；
隔振调节单元3，所述隔振调节单元3至少包括作动器302以及电磁铁305，多个所述作动器302均匀连接在所述浮筏2和所述基座7之间，多对所述电磁铁305均匀分布在所述浮筏2侧面和所述固定平台4之间；
以及电源模块5和树莓派控制器6，所述电源模块5和所述树莓派控制器6、作动器302以及电磁铁305连接供电，所述树莓派控制器6和所述作动器302连接提供电压，和所述电磁铁305连接提供电流。
所述机组安装平台1包括：
安装板101，所述安装板101上均匀分布多个孔洞，用于安装激励源；
以及设置在所述安装板101下端面的多个参考传感器102，通过所述参考传感器102检测位于所述机组安装平台1上方的无人船动力仓机组激励源的振动信号。
所述参考传感器102为MPU6050加速度传感器；所述参考传感器102的数量为两个。所述MPU6050加速度传感器具有整合性六轴运动处理组件，用于测量激励源的振动信号。
所述浮筏2为一体式结构，包括和所述机组安装平台1平行设置的主筏架201以及设置在所述主筏架201下端的副筏架202；所述电磁铁305位于所述副筏架202侧面和所述固定平台4之间，所述作动器302上端和所述主筏架201连接，下端和所述基座7连接。
所述隔振调节单元3还包括：
多个上层隔振器301，多个所述上层隔振器301均匀分布在所述机组安装平台1的安装板101和浮筏2的主筏架201之间；
多个下层隔振器303，多个所述下层隔振器303均匀分布在所述主筏架201和所述基座7之间；
以及多个误差传感器304，多个所述误差传感器304和多个所述作动器302一一对应，每个所述误差传感器304和对应的作动器302之间的间隔小于等于1厘米。通过所述误差传感器304检测所在位置的振动信号。
所述上层隔振器301为BE-25橡胶金属隔振器；所述上层隔振器301的数量为15个，三排五列排布。所述BE-25橡胶金属隔振器具有频率低、横向刚度高、阻尼比适宜等优点，能进一步提高装置的隔振性能。
所述下层隔振器303为YS-130-2V气囊隔振器；所述下层隔振器303的数量为四个。设置在所述主筏架201下端面的四角处。所述YS-130-2V气囊隔振器方便安装，承载大，通过改变外部充气压力针对不同载荷来实现高频隔振性能。
所述作动器302为压电陶瓷作动器302。所述压电陶瓷作动器302通过树莓派控制器6来调节输入电压沿垂直方向上做往复运动传递至浮筏2实现低频隔振。
所述误差传感器304为ADXL335加速度传感器。所述ADXL335加速度传感器用于测量作动器302振动频率输出信号。
本实施例中，参考传感器102的数量为两个；作动器302数量为四个，四个作动器302两排两列分布；电磁铁305数量为四对，所述副筏架202的前后端面与固定平台4内部两端面分别对应安装有一对电磁铁305，所述副筏架202的左右端面与基座7内部两端面分别对应安装有一对电磁铁305。
十五个所述上层隔振器301均匀安装在主筏架201上方并与安装板101相连接，用于增强系统的减振性能，所述四个下层隔振器303、四个作动器302对称安装在主筏架201下方并与基座7相连，所述四个误差传感器304对称设置在主筏架201下方，分别与每个作动器302间隔1厘米。
所述基座7与固定平台4通过螺栓连接。
本发明的树莓派控制器6和电源模块5均设置在固定平台4外侧壁，所述两个参考传感器102、四个误差传感器304、四个作动器302和四对电磁铁305的控制引脚均与树莓派控制器6相连，所述电源模块5与树莓派控制器6电连接。
基于一种无人船浮筏2隔振装置的隔振方法包括以下步骤：
步骤一：通过参考传感器102检测获得位于所述机组安装平台1上方的无人船动力仓机组激励源的振动信号P(k)并传输至树莓派控制器6；
步骤二：树莓派控制器6对步骤一中获得的振动信号P(k)进行处理，树莓派控制器6通过控制算法模态分解振动信号，提取振动信号特征，从而可获得相应的信息，并判断振动信号P(k)的振动方向和振动频率；若振动方向为上下方向同时为低频信号时，执行步骤三；若振动方向为上下方向同时为高频信号时，执行步骤七；若振动方向为其他方向时，执行步骤八；
步骤三：树莓派控制器6根据PID控制算法输出电压Y(k)并施加在多个作动器302上，使每个作动器302得到与步骤一中获得的振动信号P(k)反向的振动信号；
步骤四：通过多个误差传感器304分别检测获取多个作动器302对应位置的隔振振动信号S(k)，并计算获得每个作动器302位置处的误差e(k)＝|S(k)-P(k)|；并将误差反馈至树莓派控制器6；
步骤五：树莓派控制器6根据每个作动器302对应位置处的误差输出对应作动器302的电压值；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直到误差在设定的数值范围内，当在误差范围内，树莓派控制器6停止对作动器302施加电压，即树莓派控制器6相应输出端口电压为0V；作动器302停止运动；
步骤七：采用下层隔振器303被动隔振，拓宽装置隔振频段；下层隔振器303的材料为弹性橡胶，中间充满保护气体，不需要进行任何操作，针对高频振动信号敏感，高频振动信号振动幅度大，晃动比较明显，被动就是靠自身橡胶以及保护气体减震，效果显著；
步骤八：树莓派控制器6通过调整电磁铁305的通电电流使得多对电磁铁305产生的电磁力与整体振动信号抵消，实现力的平衡，最大程度上保证装置的稳定。
电磁铁调整力的平衡是一个过程，首先通过树莓派控制器6输出控制电流为I(k)，产生的电磁力F(k)，此时检测四个误差传感器304的隔振振动信号并计算平均值得V(k)，若V(K)≠0，即振动信号依然存在，则增大I(K)，直到V(k)消除。
本发明所指的低频信号是指10Hz～315Hz，高频段信号是指315Hz～8000Hz。
本发明中若振动信号P(k)为其他方向：则树莓派控制器6通过改变电磁铁305的通电电流，根据公式F∫IIdl×B可知，在磁通量B保持不变时，通过改变电流I的大小，相应的电磁力也会随着改变，在基座7、固定平台4与副筏架202上安装的电磁铁305产生电磁力的作用下实现自动对中，防止装置“倾斜”的情况发生，可有效衰减振动能源传递，从而实现减振降噪的目的。
本发明的工作原理如下：使用者使用时，参考传感器102实时检测安装板101上方无人船动力舱机组激励源振动信号，并将振动信号作为输入反馈至树莓派控制器6中，树莓派控制器6根据预先设定的控制规则判断振动信号的振动方向和振动频率，若振动方向为上下方向且振动频率为低频信号时，树莓派控制器6根据PID算法产生输出电压控制作动器302产生反向振动信号，实现装置低频隔振，若振动方向为上下方向且振动频率为高频信号时，采用下层隔振器303被动隔振；若振动信号的方向为其他方向，树莓派控制器6通过调整相应安装位置的电磁铁305的通电电流，实现作用力平衡，消除振动能量传递。树莓派控制器6通过检测4个误差传感器304的振动信号，误差传感，304即所提的加速度传感器，能实现6个方向的加速度检测，通过信号提取合成可以最终确定一个矢量方向，若最终方向正前方偏右45°，则四对电磁铁305都会工作，若最终方向是正前方，则只会有两对电磁铁305工作，即正前方和正后方实现平衡，所以我们可以说明只要这个矢量方向不是正方向即正前、正后、正左、正右，就会有4对电磁铁305工作，反之则会有两对电磁铁305工作。

Claims (10)

1.一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，包括：
固定平台(4)；
设置在所述固定平台(4)上的基座(7)；
平行设置在所述基座(7)上方的机组安装平台(1)；
设置在所述机组安装平台(1)下方的浮筏(2)；
隔振调节单元(3)，所述隔振调节单元(3)至少包括作动器(302)以及电磁铁(305)，多个所述作动器(302)均匀连接在所述浮筏(2)和所述基座(7)之间，多对所述电磁铁(305)均匀分布在所述浮筏(2)侧面和所述固定平台(4)之间；
以及电源模块(5)和树莓派控制器(6)，所述电源模块(5)和所述树莓派控制器(6)、作动器(302)以及电磁铁(305)连接供电，所述树莓派控制器(6)和所述作动器(302)连接提供电压，和所述电磁铁(305)连接提供电流。
2.根据权利要求1所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述机组安装平台(1)包括：
安装板(101)，所述安装板(101)上均匀分布多个孔洞；
以及设置在所述安装板(101)下端面的多个参考传感器(102)。
3.根据权利要求2所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述参考传感器(102)为MPU6050加速度传感器或ADXL335加速度传感器；所述参考传感器(102)的数量为两个。
4.根据权利要求1所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述浮筏(2)为一体式结构，包括和所述机组安装平台(1)平行设置的主筏架(201)以及设置在所述主筏架(201)下端的副筏架(202)；所述电磁铁(305)位于所述副筏架(202)侧面和所述固定平台(4)之间，所述作动器(302)上端和所述主筏架(201)连接，下端和所述基座(7)连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述隔振调节单元(3)还包括：
多个上层隔振器(301)，多个所述上层隔振器(301)均匀分布在所述机组安装平台(1)的安装板(101)和浮筏(2)的主筏架(201)之间；
多个下层隔振器(303)，多个所述下层隔振器(303)均匀分布在所述主筏架(201)和所述基座(7)之间；
以及多个误差传感器(304)，多个所述误差传感器(304)和多个所述作动器(302)一一对应，每个所述误差传感器(304)和对应的作动器(302)之间的间隔小于等于1厘米。
6.根据权利要求5所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述上层隔振器(301)为BE-25橡胶金属隔振器；所述上层隔振器(301)的数量为15个，三排五列排布。
7.根据权利要求5所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述下层隔振器(303)为YS-130-2V气囊隔振器；所述下层隔振器(303)的数量为四个。
8.根据权利要求1所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述作动器(302)为压电陶瓷作动器(302)。
9.根据权利要求5所述的一种无人船浮筏隔振装置，其特征在于，所述误差传感器(304)为MPU6050加速度传感器或ADXL335加速度传感器。
10.基于权利要求1所述的一种无人船浮筏隔振装置的隔振方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过参考传感器(102)检测获得位于所述机组安装平台(1)上方的无人船动力仓机组激励源的振动信号P(k)并传输至树莓派控制器(6)；
步骤二：树莓派控制器(6)对步骤一中获得的振动信号P(k)进行处理提取振动信号特征，并判断振动信号P(k)的振动方向和振动频率；若振动方向为上下方向同时为低频信号时，执行步骤三；若振动方向为上下方向同时为高频信号时，执行步骤七；若振动方向为其他方向时，执行步骤八；
步骤三：树莓派控制器(6)根据PID控制算法输出电压Y(k)并施加在多个作动器(302)上，使每个作动器(302)得到与步骤一中获得的振动信号P(k)反向的振动信号；
步骤四：通过多个误差传感器(304)分别检测获取多个作动器(302)对应位置的隔振振动信号S(k)，并计算获得每个作动器(302)位置处的误差e(k)＝|S(k)-P(k)|；并将误差反馈至树莓派控制器(6)；
步骤五：树莓派控制器(6)根据每个作动器(302)对应位置处的误差输出对应作动器(302)的电压值；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直到误差在设定的数值范围内，作动器(302)停止运动；
步骤七：采用下层隔振器(303)被动隔振；
步骤八：树莓派控制器(6)通过调整电磁铁(305)的通电电流使得多对电磁铁产生的电磁力与整体振动信号抵消，实现力的平衡。
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