CN113422547A - 一种无轴推进矢量控制系统 - Google Patents

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杨叶凡
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Abstract

本发明公开了一种无轴推进矢量控制系统，包括客户端交互系统、主控制系统、无轴推进系统：所述客户端交互系统用于将操作员输入的指令打包处理发送至主控制系统；所述主控制系统以ESP8266微控制单位为核心搭建，包括PWM驱动单元、舵机供电单元、电机供电单元、反馈单元、系统供电单元和信号整合单元，其作用是将客户端交互系统发送的信号按照相应的通信协议解析，输出可控制的电平信号。本发明开发了一套适用于无轴推进系统、协调控制多台无轴推进系统的矢量控制系统，精准控制两台台或者多台无轴推进器的工作状态，确保船舶能够在驾驶员简单的操作下便能实现平移运动在内的复杂机动，以提升船舶在复杂水域的机动能力和可操作性。

Description

一种无轴推进矢量控制系统
技术领域
发明属于船用设备领域，涉及一种推进器控制系统，具体涉及一种无轴推进矢量控制系统。
背景技术
喷水推进船舶具有优异的机动性和操纵性，已有研究表明，使用两台无轴推进器的船舶可以实现包括平移运动在内的复杂机动，但传统无轴推进器操作系统想要实现上述操作需要同时操作操作设备分别控制两台喷水推进器的转速，转向角和倒车斗收放等多个参数，操作难度大、过程复杂，同时在复杂水域紧急情况下容易发生操作失败。
具有全回转功能无轴推进器能够使船舶仅使用一台无轴推进器便可完成使用两台喷水推进器才能完成的复杂机动动作，但目前市场上并未有相关控制系统能解决无轴推进器多机协同工作的控制问题。
发明内容
本发明要解决的问题在于针对上述无轴推进器缺乏多机协同国内工作控制系统的问题设计了一种无轴推进器矢量控制系统。该系统通过搭建控制系统硬件，搭载自研控制系统算法，精准控制两台台或者多台无轴推进器的工作状态，确保船舶能够在驾驶员简单的操作下便能实现平移运动在内的复杂机动，以提升船舶在复杂水域的机动能力和可操作性。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种无轴推进矢量控制系统，包括客户端交互系统、主控制系统和无轴推进系统：其特征在于：所述客户端交互系统与主控制系统通过无线连接通信，接收客户端交互系统的指令信号，所述主控制系统与无轴推进系统由电源线和信号线连接，所述主控制系统通过电源线和信号线提供电能和发送信号到无轴推进系统，以控制无轴推进系统的工作状态，所述无轴推进系统包括至少两台具有全回转功能的无轴推进器。
进一步地，所述主控制系统是以ESP8266微控制器为核心，包含PWM驱动单元、舵机供电单元、电机供电单元、反馈单元、系统供电单元和信号整合单元搭建的高集成度的实时在线控制系统，主控制系统由ESP8266微控制单元接受信号处理信号，并控制PWM驱动单元、舵机供电单元、电机供电单元产生相应的电流和电平信号，经由信号整合单元传递至无轴推进系统，从而控制无轴推进系统的工作状态。
进一步地，所述主控制系统接收到客户端交互系统发送的指令后，将指令分为方向变化指令和航速变化指令两部分，方向变化指令和航速变化指令经过主控制系统处理后分别控制两个无轴推进器的工作状态。
进一步地，所述航速变化指令经主控制系统先计算出无轴推进器推力期望，再跟进无轴推进器推力期望分别计算出两个无轴推进器的电机转速，电机转速通过信号线传输给无轴推进系统，控制相应的无轴推进器的电机，从而改变无轴推进器产生的推力使船舶航速发生改变，船舶航速反馈到主控制系统，进而实时更新航速变化指令，形成闭环。
进一步地，所述方向变化指令经主控制系统先计算出舵角，再分别计算两个无轴推进器的回转角，通过控制两个无轴推进器的回转角回转角度来控制无轴推进系统的方向，船舶的方向变化反馈到主控制系统，进而实时更新方向变化指令，形成闭环。
进一步地，船舶的方向变化反馈的具体方式为：通过角度传感器实时读取每个无轴推进器旋转角度并反馈给反馈单元的控制电路，反馈单元的控制电路根据目标值与当前反馈值生成控制信号控制驱动无轴推进器的回转电机，使无轴推进器快速旋转到目标角度。
进一步地，所述客户端交互系统的物理连接层采用WIFI信号，应用层采用socket，从而实现对处在不同网络地点的对象寻址与连接。
进一步地，所述客户端交互系统是使用windows平台开发的并运行于安卓系统的操作终端，是人机交互平台，所述客户端交互系统将操作员的操作指令打包发送至主控制系统。
进一步地，所述客户端交互系统采用基于发送心跳包设计的SOCKET长连接与主控制系统保持长期处于在线状态。
作为改进，所述主控制系统搭载了矢量控制算法(基于PID改进的控制算法)，算法能够实现精准控制无轴推进器回转角度、无轴推进器叶转速等变量。
作为改进，所述无轴推进系统可包含多台无轴推进器也可包含单台无轴推进器，用于安装与不同型号的船舶上使用。
作为改进，所述主控制系统可使用两组实时在线控制系统，两组系统互为备用，以提升系统的鲁棒性。
本发明的有益效果在于：
1.本发明开发了一种无轴推进矢量控制系统，填补了多台无轴推进器控制策略及控制系统的技术空白，在船舶需要完成复杂机动时，精准控制每一台无轴推进器的工作状态，使船舶能更加容易、更加精准的完成复杂机动。
2.本发明开发的客户端交互系统物理层采用WIFI信号，具有高速低延时的通信特点，使系统能够实现高稳定性与实时性的通信质量与多址通信；同时，基于发送心跳包设计的SOCKET长连接能确保证客户端长期处于在线状态。
3.本发明搭建的主控制系统搭载了矢量控制算法，算法能够实现精准控制无轴推进器回转角度、无轴推进器叶转速等变量。
4.本发明集成了控制无轴推进器的所有控制单元为主控制系统，精简了船舶动力系统的组成，同时主控制系统包含两组所设计的实时在线控制系统，两组系统互为备用，提升了系统的鲁棒性。
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是本发明矢量控制的原理框图；
图2是本发明典型应用范例之一；
图3是本发明主控制系统组成框图；
图4是本发明数据处理流程图
图5是本发明主控制系统控制算法的原理框图；
图6是本发明客户端交互系统网络分层结构；
图7是基于ESP8266微控制单元嵌入式系统开发设计的单MOS管驱动电机原理图；
图中：1-无轴推进器；2-船体。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明所开发的无轴推进矢量控制系统，包括客户端交互系统、主控制系统和无轴推进系统，所述无轴推进系统包括至少两台具有全回转功能的无轴推进器。
如图2所示，为本发明典型应用范例之一，两台无轴推进器组成无轴推进系统，本发明所设计的无轴推进矢量控制系统通过控制两台无轴推进器各自的工作状态，以达到船舶复杂机动的要求。
通过主控制系统控制两台无轴推进器，使其推力方向均朝向正后方或者正前方，可使船舶前进或者倒车；使其推力方向均朝向左舷，可使船舶以逆时针的方向回转。
如图3所示，为本发明主控制系统的组成框图，主控制系统以ESP8266微控制单元为核心，由ESP8266微控制单元接受信号处理信号，并控制PWM驱动单元、舵机供电单元、电机供电单元产生相应的电流和电平信号，经由信号整合单元传递至无轴推进系统，从而控制无轴推进系统的工作状态。
在主控制系统过工作时，由系统供电单元为主控制系统供电，由ESP8266微控制单元接收客户端交互系统传递的信号。
如图4所示，为本发明数据处理流程图，主控制系统接收到客户端交互系统发送的指令后，会将指令分为方向变化指令和航速变化指令两部分，方向变化指令和航速变化指令经过主控制系统处理后分别控制两个无轴推进器的工作状态，从而达到改变船舶状态的目的。
航速变化指令会经主控制系统先计算出无轴推进器推力期望，再根据无轴推进器推力期望分别计算出两个无轴推进器的电机转速，从而推进器产生推力使船舶航速发生改变，船舶航速会反馈到主控制系统，进而实时更新航速变化指令，形成闭环。
方向变化指令会经主控制系统先计算出舵角，再分别计算两个无轴推进器的回转角，通过控制两个无轴推进器的回转角回转角度来控制无轴推进系统的方向，从而使得船舶的方向发生变化，船舶的方向变化会反馈到主控制系统，进而实时更新方向变化指令，形成闭环。
如图5所示，为本发明的主控制系统搭载的矢量算法原理图，该算法能完成以下基本功能：
无轴推进系统的推进器喷水方向360°精确角度控制。实时读取矢量化推进装置的旋转角度并反馈给反馈单元的控制电路，反馈单元的控制电路根据目标值与当前反馈值生成控制信号控制驱动无轴推进器的回转电机，使相应无轴推进器快速旋转到目标角度。
恒力矩控制。通过恒力矩控制达到无轴推进系统的推力控制目的，恒力矩控制基于电流反馈控制，电流传感器是该控制算法的核心部件，电流传感器将实时电流值反馈给主控制系统，主控制系统根据目标值与反馈值的差异生成控制信号控制无轴推进器的驱动电机，使驱动电流稳定在目标电流值上，从而达到无轴推进器的推力恒定控制。
如图6所示，为本发明客户端交互系统网络分层结构，本客户端系统界面采用XML布局文件集成按钮、滑动条、虚拟摇杆等操作控件，界面的交互与控制逻辑采用Java代码实现。用户使用按钮、滑动条、虚拟摇杆等简单的操作控件输入控制指令，经过底层逻辑代码解析后将控制指令打包发送给嵌入式控制系统。
客户端系统通信的物理连接层采用WIFI信号，具有高速、低延时的通信特点，为实时通信打下了基础。应用层采用socket，从而实现对处在不同网络地点的对象寻址与连接。采用socket通信的客户端系统可方便的连接局域网内的任意推进器设备，从而实现多址通信。
客户端系统采用定时发送心跳包的方式来判断与服务器的连接状态，从而保持SOCKET长期连接，一旦心跳包发送失败，立刻提醒用户连接断开，并提供重连功能。
如图7所示，为本发明基于ESP8266微控制单元嵌入式系统开发设计的单MOS管驱动电机原理图。微控制单元与客户端交互系统无线通信，接收客户端操作系统发送的指令，在ESP8266模块的I/O(输入输出端口)上产生用来操作机械系统的控制信号。
低频PWM信号与矢量化转向装置直接相连。其特性是角度精确可控，角度值与PWM信号的占空比成线性关系，所以改变低频PWM信号的占空比便可以间接控制旋转装置的旋转角度。高频PWM信号与推进器内电机通过开关MOS管逻辑相连。高频PWM信号占空比为100％时，MOS管常闭，电机以最大功率运行；占空比为0％时，MOS管常开，电机因为开路而不运行；当占空比在0％到100％之间时，电机在满功率与开路之间高速切换，因为电机转子的惯性作用电机仍然均匀旋转。利用这种效应，改变满功率与开路在时间上的占比(即改变高频PWM的占空比)便可连续调节电机的功率。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种无轴推进矢量控制系统，包括客户端交互系统、主控制系统和无轴推进系统：其特征在于：所述客户端交互系统与主控制系统通过无线连接通信，接收客户端交互系统的指令信号，所述主控制系统与无轴推进系统由电源线和信号线连接，所述主控制系统通过电源线和信号线提供电能和发送信号到无轴推进系统，以控制无轴推进系统的工作状态，所述无轴推进系统包括至少两台具有全回转功能的无轴推进器。
2.如权利要求1所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：所述主控制系统是以ESP8266微控制器为核心，包含PWM驱动单元、舵机供电单元、电机供电单元、反馈单元、系统供电单元和信号整合单元搭建的高集成度的实时在线控制系统，主控制系统由ESP8266微控制单元接受信号处理信号，并控制PWM驱动单元、舵机供电单元、电机供电单元产生相应的电流和电平信号，经由信号整合单元传递至无轴推进系统，从而控制无轴推进系统的工作状态。
3.如权利要求2所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：所述主控制系统接收到客户端交互系统发送的指令后，将指令分为方向变化指令和航速变化指令两部分，方向变化指令和航速变化指令经过主控制系统处理后分别控制两个无轴推进器的工作状态。
4.如权利要求3所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：所述航速变化指令经主控制系统先计算出无轴推进器推力期望，再跟进无轴推进器推力期望分别计算出两个无轴推进器的电机转速，电机转速通过信号线传输给无轴推进系统，控制相应的无轴推进器的电机，从而改变无轴推进器产生的推力使船舶航速发生改变，船舶航速反馈到主控制系统，进而实时更新航速变化指令，形成闭环。
5.如权利要求4所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：所述方向变化指令经主控制系统先计算出舵角，再分别计算两个无轴推进器的回转角，通过控制两个无轴推进器的回转角回转角度来控制无轴推进系统的方向，船舶的方向变化反馈到主控制系统，进而实时更新方向变化指令，形成闭环。
6.如权利要求5所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：船舶的方向变化反馈的具体方式为：通过角度传感器实时读取每个无轴推进器旋转角度并反馈给反馈单元的控制电路，反馈单元的控制电路根据目标值与当前反馈值生成控制信号控制驱动无轴推进器的回转电机，使无轴推进器快速旋转到目标角度。
7.如权利要求6所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：所述客户端交互系统的物理连接层采用WIFI信号，应用层采用socket，从而实现对处在不同网络地点的对象寻址与连接。
8.如权利要求7所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：所述客户端交互系统是使用windows平台开发的并运行于安卓系统的操作终端，所述客户端交互系统将操作员的操作指令打包发送至主控制系统。
9.如权利要求8所述的无轴推进矢量控制系统，其特征在于：所述客户端交互系统采用基于发送心跳包设计的SOCKET长连接与主控制系统保持长期处于在线状态。
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