CN114228932A - 一种船舶姿态智能控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶姿态智能控制系统及方法，包括可编程控制器、倾角传感器、高压水泵、水泵变频调速装置、水泵角度调节装置、水泵位置调节装置，和供水管道；倾角传感器对称布置在甲板两侧，与可编程控制器相连接。本发明通过倾角传感器检测船体姿态的变化，由可编程控制器智能决策并通过水泵位置调节装置、水泵变频调速装置和水泵角度调节装置改变高压水泵的位置与喷水的方向、压力和速度，产生与船舶姿态变化相反力矩，从而精确地保持船舶的工作姿态。本发明响应速度快、角度精确性高、灵活性稳定性好、质量体积小、可移植性强、适于推广应用。

Description

一种船舶姿态智能控制系统及其方法

技术领域

本发明属于水上机械设备平衡稳定技术领域，涉及一种船舶姿态智能控制系统及其方法。

背景技术

水上机械设备，是人类智慧创造与现代工业结合制造的所有在水上协助人类完成某项工作的工具。其中，较发达的为各种类型的船舶，例如客轮、运输船、军舰、抽水抽沙船、游艇、摩托艇等等。在抵御外部环境所产生的不利影响方面，水上机械设备与陆地上的设备相比要脆弱很多。对于一些起吊功能的水上机械设备,当吊机吊装重物时,设备发生倾斜，无法发挥出最大起重能力；对于一些抽水抽沙船，由于输出水沙管路的重力影响，令船体偏离水平姿态，而这种偏离水平姿态的情况对泵的寿命影响较大；对于一些游艇，当遇到风浪时，必然无法保持稳定的姿态，对游客的体验影响很大；对于一些摩托艇，由于重心较高，极易左右倾倒，常人难于驾驶。以上所述种种情况对机械设备及人身的安全会构成很大的威胁,同时设备的工作能力会受到较大的限制,从而缩短设备的寿命，无法满足设备的作业要求。如何解决此技术难题,一直是水上机械设备技术设计的关键问题之一。

中国实用新型专利(202022523969.0)给出一种防倾斜的船舶平衡装置。其船体外侧设置有伸缩门，且伸缩门内侧安装有遥控接收装置，所述船体外侧设置有救生圈，且救生圈上侧连接有伸缩杆，同时伸缩杆外侧设置有螺纹杆，船体内部设置有电机，且电机外侧连接有主动轮，同时主动轮通过皮带与从动轮相连接，所述船体内部设置有水泵，所述船体上侧设置有支撑杆。该防倾斜的船舶平衡装置，设置有进水口、喷水口和水泵，若是船体倾斜，向哪一边倾斜，就可以打开哪一边的水泵，然后从进水口进水，通过水泵，从喷水口喷出，给与船体一个斜向上的力，从而使船体回正。但是，该装置存在以下缺陷：1.系统较复杂，且无法实现智能自动化控制；2.其水泵进水口与出水口在船体同侧并且相近，进水口产生的吸力与出水口产生的反冲力进行抵消，降低了船体平衡效率；3.装备的两台水泵的出水口角度固定，反冲力相对船体方向不能改变，无法持续提供抗横倾最大效率方向的反冲力；4.无法调节船体的纵向倾斜。

中国发明专利(201410469357.4),提供了一种船舶横倾平衡自动控制系统，包括多台可独立工作的抗横倾泵和多对抗横倾压载边舱,多对防横倾压载边舱分别布置在船的左右舷边,通过调节各压载边舱内含水量，产生抗倾力矩。其缺陷是：1.由于压载边舱数量多、占用船体内部较大的空间；2.由于实现平衡所需用水量较大会徒增船的载重，所以会带来不必要能源的消耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种船舶姿态智能控制系统及其方法，能够快速、精准、稳定地调节船舶的姿态使其恒定在最适合工作的姿态。并且调节过程完全智能化，只需要在最初安装设备时，由专业技术人员输入恰当的参数，之后的正常工作状况可完全摆脱人力。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种船舶姿态智能控制系统，包括：

可编程控制器，设置于船舶驾驶室内，用于控制安装在船体上的水泵变频调速装置、水泵角度调节装置、水泵位置调节装置；

两个高压水泵，设置于船体的左右外侧；

两个水泵变频调速装置，分别固定在船体左右内侧，各自控制一个相邻的高压水泵；

水泵角度调节装置，设置于水泵底座上，用于调节高压水泵相对于船体前后左右转动；

两个倾角传感器，对称于船体纵向中心线设置在甲板左右侧部，用于检测船体的实时姿态，并把姿态信息传递到可编程控制器；

两个水泵位置调节装置，分别设置于船体左右两侧，用于承载高压水泵及其配件在甲板平行面内相对于船体前后左右移动；

所述的可编程控制器的输入端与倾角传感器、水泵位置调节装置的距离传感器和水泵角度调节装置的角度传感器通讯连接，其输出端与各个水泵位置调节装置、各个水泵变频调速装置和各个水泵角度调节装置通讯连接，水泵变频调速装置的输出端与高压水泵相连。

进一步的，所述的水泵位置调节装置包括导轨1、导轨2、驱动部分和距离传感器；导轨1固定在船体侧面，为导轨2提供相对船体前后移动的运动路线，导轨2与导轨1相互垂直并且滑动连接；导轨2连接可以滑动的水泵底座；导轨2和水泵底座分别设置有电机，为各自的移动提供动力；可控制编程器控制各电机的旋转方向和旋转速度；所述距离传感器把导轨2与水泵底座的位置信息反馈到可控制编程器，以实现闭环控制。

进一步的，所述的水泵角度调节装置包括两个液压推杆和角度传感器，每个液压推杆的一端与水泵底座铰接，另一端与高压水泵铰接。

进一步的，所述的两个高压水泵所需水源均来自同一个位于船底中心处的船体中心进水口，并通过供水管道与各个高压水泵的连接。

本发明的另一种船舶姿态智能控制系统，包括：

可编程控制器，设置于船舶驾驶室内，用于控制安装在船体上的水泵变频调速装置、水泵角度调节装置；

高压水泵在船体左右两侧外部的前端和后端各安装一台，共安装四台，用于产生调控船舶姿态的力矩；

四个水泵变频调速装置，分别固定在船体左右内侧，各自控制一个相邻的高压水泵；

四个水泵角度调节装置，设置于船体周围高压水泵旁，用于调节高压水泵相对于船体前后左右转动；

两个倾角传感器，对称于船体纵向中心线设置在甲板左右侧部，用于检测船体的实时姿态，并把姿态信息传递到可编程控制器；

所述的可编程控制器的输入端与倾角传感器和水泵角度调节装置的角度传感器通讯连接，其输出端与各个水泵变频调速装置和各个水泵角度调节装置通讯连接，水泵变频调速装置的输出端与高压水泵相连。

本发明的一种船舶姿态智能控制方法，包括以下步骤：

1)系统工作开始前，可编程控制器启动自检程序，检测倾角传感器、距离传感器和角度传感器数据采集端、执行工作信号正常，操作员选择船舶类型编号，初始化数据，进入工作准备状态；

2)当船舶由于外部风力、海浪等因素或由于船体本身装载物移动因素、使得船舶的整体姿态发生改变时，与船舶固定连接的倾角传感器检测到姿态的变化，输出信号至可编程控制器；同时水泵位置调节装置内的距离传感器和水泵角度调节装置内的角度传感器把各个高压水泵的位置与角度信息传输到可编程控制器；

3)可编程控制器处理来自倾角传感器、距离传感器、角度传感器的信息，经由自身智能程序做出决策，同时向水泵位置调节装置、水泵变频调速装置和水泵角度调节装置发出控制信号，以及时改变高压水泵的位置、角度与喷水压力、速度，产生最优的喷水力矩，有效抵抗各种影响船舶正常工作姿态的因素，进而使船舶保持精准的工作姿态。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果包括：

1、本发明装备有可编程控制器、水泵变频调速装置、高压水泵等装置，其体积小、质量轻。故此占用船舶空间小，也减轻载重负担；

2、本发明装备的水泵位置调节装置调整左右2台高压水泵相对船体前后移动，即可抵抗船体的纵向倾斜，此外其调节高压水泵左右移动，可增大高压水泵的喷水力矩，有利于解决大吨位的船体姿态稳定问题；

3、本发明的船体中心进水口位置设计合理，恰好规避吸水所产生的反力对整个系统的影响；

4、本发明采用水泵角度调节装置，可以保持高压水泵喷水方向竖直向下，避免在系统工作时船体在水平面内偏移，也可提高系统的调控船体姿态的效率；

5、本发明装备的可编程控制器的工作频率高达千级赫兹、水泵变频调速装置工作频率高达数十级赫兹，对船体姿态的变化反应速度快，可对高压水泵及时高频率的控制，进而其喷水所产生的反冲力变化迅速。故本发明的响应速度和精确度较好；

附图说明

图1为本发明的实施例1的一种船舶姿态智能控制系统的结构示意图。

图2本发明的实施例1控制系统模块框图。

图3a本发明的实施例2的俯视结构示意图。

图3b本发明的实施例2的侧视结构示意图。

图4本发明的一种实施例的水泵角度调节装置的示意图。

图5本发明的实施例2的控制系统模块框图。

其中，可编程控制器1，水泵变频调速装置2，高压水泵3，供水管道4，船体中心进水口5，倾角传感器6，水泵角度调节装置7，船体8，水泵位置调节装置9，水泵底座10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

如图1、2、4所示，本发明的一种船舶姿态智能控制系统，包括可编程控制器1，水泵变频调速装置2，高压水泵3，倾角传感器6，水泵角度调节装置7，水泵位置调节装置9。

所述的可编程控制器1设置于船舶驾驶室内，用于控制水泵变频调速装置2，水泵角度调节装置7，水泵位置调节装置9。所述可编程控制器1的输入端与倾角传感器6、距离传感器(包含在水泵位置调节装置9内)和角度传感器(包含在水泵角度调节装置7内)通讯连接，输出端与各个水泵位置调节装置9、各个水泵变频调速装置2和各个水泵角度调节装置7通讯连接。

所述的倾角传感器6装备有2个，对称设置在甲板左右，与整个船体具有相同的空间姿态，用于检测船体的实时姿态，并把姿态信息传递到可编程控制器1。2个倾角传感器6同时工作，有助于通过可编程控制器1内置算法对采集数据的处理，减弱一些偶然性的采集数据失真带来的影响。选用采集频率较高、精度高、质量可靠的倾角传感器6，以保障可编程控制器1可以高频率的输出可靠信号控制水泵变频调速装置2，使得高压水泵3喷水所提供给船体的反冲力可以时刻变化，以保持最佳状态，从而达到对外界影响因素的快速反应。

所述的水泵位置调节装置9共装备两套，分别设置于船体左右两侧，用于承载高压水泵3及其配件在甲板平行面内相对于船体前后左右移动，且移动是在可编程控制器1的控制下进行，调节高压水泵3前后移动可解决纵倾，调节高压水泵3左右移动可以放大高压水泵产生的力矩，尤其当船体吨位很大时，力矩的放大十分重要。所述水泵位置调节装置9包含导轨1、导轨2、驱动部分和距离传感器，导轨1固定在船体8侧面，为导轨2提供相对船体前后移动的运动路线，导轨2与导轨1滑动连接且导轨2和导轨1相互垂直，同时包含电机为导轨2的移动提供动力，导轨2连接可以滑动的水泵底座10，同样包含电机为水泵底座10的移动提供动力。而可控制编程器1可以控制各电机的旋转方向和旋转速度，进而控制水泵底座的移动方向与速度。所述距离传感器把导轨2与水泵底座的位置信息反馈到可控制编程器1，以实现闭环控制。

所述的水泵角度调节装置7设置于水泵底座10上，用于调节高压水泵3相对船体前后左右转动。所述水泵角度调节装置7包含两个液压推杆和角度传感器，每个高压水泵3配备一组水泵角度调节装置7，实施例1共有2组水泵角度调节装置7。每个液压推杆的一端与水泵底座10铰接，另一端与高压水泵3铰接。对于一个独立的高压水泵角度调节装置7，所述每个液压推杆与高压水泵3所在的平面(两个液压推杆，一个高压水泵，共有两个平面)，相互垂直。无论船舶发生纵倾还是横倾，可编程控制器1统一及时调控各个液压推杆协同伸缩，使得各个高压水泵3喷水方向始终竖直向下，故所述一种船舶姿态智能控制系统拥有较好的灵活性及适应性。

所述的水泵变频调速装置2共有2组，即每一个高压水泵3都配备有一组水泵变频调速装置2，设置于靠近对应所控制的高压水泵3，固定在船体8上，用于两个方面，接收所述可编程控制器1输出信号，同时可以为高压水泵3提供可控的电力。概括所述水泵变频调速装置2是令持续变化的弱电转换为持续变化的强电的中间媒介，是当今水泵技术领域一种调节高压水泵3出水压力、喷水速度的设备。所以水泵变频调速装置2输入端与可编程控制器1相连，其输出端与高压水泵3相连。

所述高压水泵3在船体8左右两侧的水泵底座10各安装一台，用于产生调控船舶姿态的力矩。所述高压水泵3底部与水泵底座10球接触，其中部焊接有相互垂直的两个接口分别与液压推杆铰接。

在本实施例中，2台高压水泵3所需水源均来自同一个船体中心进水口5，所述船体中心进水口5设计位于船底中心处，沉没在周围海水或湖水中，并通过所述供水管道4与各个高压水泵3连接。这样的设计可以避免高压水泵3强劲抽水在进水口产生的吸水力对船舶产生扭转力矩，影响船体的姿态，从而影响本实施例的工作效率与稳定性。

如图2所示，本发明的一种实施例的船舶姿态智能控制方法，包括以下步骤：

1)系统正常工作开始前，可编程控制器1启动自检程序，检测倾角传感器6、距离传感器和角度传感器数据采集端、执行工作信号正常，操作员选择船舶类型，初始化数据，进入工作准备状态；

2)当船舶由于外部风力、海浪等因素或由于船体本身装载物移动等因素，使得船舶的整体姿态发生改变时，与船舶固定连接的倾角传感器6检测到姿态的变化，输出信号至可编程控制器1，同时水泵位置调节装置9内的距离传感器和水泵角度调节装置7内的角度传感器把各个高压水泵3的位置与角度信息传输到可编程控制器1；

3)可编程控制器1处理来自倾角传感器6、距离传感器、角度传感器的信息，经由自身智能程序做出决策，同时向水泵位置调节装置9、水泵变频调速装置2和水泵角度调节装置7发出控制信号，以及时改变高压水泵3的位置、角度与喷水压力、速度，产生最优的喷水力矩，有效抵抗各种影响船舶正常工作姿态的因素，进而使船舶保持精准的工作姿态。

实施例2:

如图3、4、5所示，本实施例2包括可编程控制器1，水泵变频调速装置2，高压水泵3，倾角传感器6，水泵角度调节装置7。本实施例2同实施例1原理及系统框图基本相同，不同的是增设2台高压水泵3、2组水泵角度调节装置7和2组水泵变频调速装置2，而未装备水泵位置调节装置9。这种实施例尤其适用船舶总质量较小，对高压水泵3喷水产生的反冲力要求较小。

所述的可编程控制器1设置于船舶驾驶室内，用于控制水泵变频调速装置2，水泵角度调节装置7。其输入端与倾角传感器6和角度传感器(包含在水泵角度调节装置7内)通讯连接，输出端与各个水泵变频调速装置2和各个水泵角度调节装置7通讯连接。

所述的倾角传感器6共安装2个，对称设置于甲板左右与整个船体具有相同的空间姿态，用于实时检测船体的空间姿态，并低延时传输至所述可编程控制器1。

所述的水泵角度调节装置7设置于船体周围，用于调节高压水泵3相对船体前后左右转动。所述水泵角度调节装置7包含两个液压推杆和角度传感器，每个高压水泵3配备一组水泵角度调节装置7，实施例2共有4组水泵角度调节装置7。每个液压推杆的一端与船体8铰接，另一端与高压水泵3铰接。对于一个独立的高压水泵角度调节装置7，所述每个液压推杆与高压水泵3所在的平面(两个液压推杆，一个高压水泵，共有两个平面)，相互垂直。

所述的水泵变频调速装置2共有4组，即每一个高压水泵3都配备有一个独立的水泵变频调速装置2，设置于靠近对应所控制的高压水泵3固定在船体8上，用于两个方面，接收所述可编程控制器1输出的控制信号，同时可以为水泵提供变化的电力。所以水泵变频调速装置2输入端与可编程控制器1通讯连接，其输出端与高压水泵3电气连接。

所述高压水泵3在船体8左右两侧外部的前端和后端各安装一台，共安装四台，用于产生调控船舶姿态的力矩。所述高压水泵3底部与船体8球接触，其中部焊接有相互垂直的两个接口分别与液压推杆铰接。

在本实施例中，四台高压水泵3所需水源均来自同一个船体中心进水口5，所述船体中心进水口5设计位于船底中心处，沉没在周围海水或湖水中，并通过所述供水管道4与各个高压水泵3的连接。所述供水管道4干路内径选择要足够大，靠近单个高压水泵支路时，选用的内径较小，节省船舱空间。供水管道4以所述船体中心进水口5为起点向外发散，各支路管道以所述船体中心进水口5中心对称布置。这样的设计可避免供水管道4及管道内大量水的重力对船体姿态的影响。

如图2所示，本发明实施例2的运行方法包括以下步骤：

1)本实施例系统工作开始前，可编程控制器1启动自检程序，检测数据采集端、执行工作信号正常，操作员输入船舶类型，进入工作准备状态；

2)当船舶由于外部风力、海浪等因素或船舶装载物移动等因素，使得船舶整体姿态发生改变。与船舶固定连接的倾角传感器6检测到姿态的变化，把信号传输到可编程控制器1，同时水泵角度调节装置7内的角度传感器把高压水泵3的角度状态传输至可编程控制器1；

3)可编程控制器1处理来自倾角传感器6和角度传感器的数字信号，经由自身智能程序做出决策，同时向水泵变频调速装置2与水泵角度调节装置7发出控制信号。以及时改变水泵的角度与喷水压力、速度，产生效能最高的喷水力矩，有效抵抗各种影响船舶正常工作姿态的因素，进而使船舶保持稳定精准的工作姿态。

实施例3：

本实施例3同实施例2原理及系统框图基本相同，不同的是本实施例3应用在摩托艇上，目的是提高摩托艇操作性能，降低其驾驶难度和加强其安全性。由于摩托艇主要为左右倾斜,即横倾，与实施例2相比较，高压水泵3、水泵变频调速装置2和水泵角度调节装置7数量减半，安装2组，对称布置在摩托艇左右两侧。因摩托艇行驶过程中对整体姿态的精确度要求较低，所以也可固定安装高压水泵3在摩托艇左右两侧，高压水泵3喷水口固定斜向下，无需再布置水泵角度调节装置7，减小系统体积和质量，简化系统，降低成本，有助于本实施例3应用推广。

Claims (6)

1.一种船舶姿态智能控制系统，其特征在于，包括：

可编程控制器(1)，设置于船舶驾驶室内，用于控制安装在船体(8)上的水泵变频调速装置(2)、水泵角度调节装置(7)、水泵位置调节装置(9)；

两个高压水泵(3)，设置于船体(8)的左右外侧；

两个水泵变频调速装置(2)，分别固定在船体(8)左右内侧，各自控制一个相邻的高压水泵(3)；

水泵角度调节装置(7)，设置于水泵底座(10)上，用于调节高压水泵(3)相对于船体(8)前后左右转动；

两个倾角传感器(6)，对称于船体纵向中心线设置在甲板左右侧部，用于检测船体(8)的实时姿态，并把姿态信息传递到可编程控制器(1)；

两个水泵位置调节装置(9)，分别设置于船体(8)左右两侧，用于承载高压水泵(3)及其配件在甲板平行面内相对于船体前后左右移动；

所述的可编程控制器(1)的输入端与倾角传感器(6)、水泵位置调节装置(9)的距离传感器和水泵角度调节装置(7)的角度传感器通讯连接，其输出端与各个水泵位置调节装置(9)、各个水泵变频调速装置(2)和各个水泵角度调节装置(7)通讯连接，水泵变频调速装置(2)的输出端与高压水泵(3)相连。

2.根据权利要求1所述的一种船舶姿态智能控制系统，其特征在于，所述的水泵位置调节装置(9)包括导轨1、导轨2、驱动部分和距离传感器；导轨1固定在船体(8)侧面，为导轨2提供相对船体前后移动的运动路线，导轨2与导轨1相互垂直并且滑动连接；导轨2连接可以滑动的水泵底座(10)；导轨2和水泵底座(10)分别设置有电机，为各自的移动提供动力；可控制编程器(1)控制各电机的旋转方向和旋转速度；所述距离传感器把导轨2与水泵底座(10)的位置信息反馈到可控制编程器(1)，以实现闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种船舶姿态智能控制系统，其特征在于，所述的水泵角度调节装置(7)包括两个液压推杆和角度传感器，每个液压推杆的一端与水泵底座(10)铰接，另一端与高压水泵(3)铰接。

4.根据权利要求1所述的一种船舶姿态智能控制系统，其特征在于，所述的两个高压水泵(3)所需水源均来自同一个位于船底中心处的船体中心进水口(5)，并通过所述供水管道(4)与各个高压水泵(3)连接。

5.一种船舶姿态智能控制系统，其特征在于，包括：

可编程控制器(1)，设置于船舶驾驶室内，用于控制安装在船体(8)上的水泵变频调速装置(2)、水泵角度调节装置(7)；

高压水泵(3)在船体(8)左右两侧外部的前端和后端各安装一台，共安装四台，用于产生调控船舶姿态的力矩；

四个水泵变频调速装置(2)，分别固定在船体(8)前后左右内侧，各自控制一个相邻的高压水泵(3)；

四个水泵角度调节装置(7)，设置于船体(8)周围高压水泵(3)旁，用于调节高压水泵(3)相对于船体(8)前后左右转动；

两个倾角传感器(6)，对称于船体纵向中心线设置在甲板左右侧部，用于检测船体(8)的实时姿态，并把姿态信息传递到可编程控制器(1)；

所述的可编程控制器(1)的输入端与倾角传感器(6)和水泵角度调节装置(7)的角度传感器通讯连接，其输出端与各个水泵变频调速装置(2)和各个水泵角度调节装置(7)通讯连接，水泵变频调速装置(2)的输出端与高压水泵(3)相连。

6.一种船舶姿态智能控制方法，包括以下步骤：

步骤1、系统工作开始前，可编程控制器启动自检程序，检测倾角传感器、距离传感器和角度传感器数据采集端、执行工作信号正常，操作员选择船舶类型编号，初始化数据，进入工作准备状态；

步骤2、当船舶由于外部风力、海浪等因素或由于船体本身装载物移动因素、使得船舶的整体姿态发生改变时，与船舶固定连接的倾角传感器检测到姿态的变化，输出信号至可编程控制器；同时水泵位置调节装置内的距离传感器和水泵角度调节装置内的角度传感器把各个高压水泵的位置与角度信息传输到可编程控制器；

步骤3、可编程控制器处理来自倾角传感器、距离传感器、角度传感器的信息，经由自身智能程序做出决策，同时向水泵位置调节装置、水泵变频调速装置和水泵角度调节装置发出控制信号，以及时改变高压水泵的位置、角度与喷水压力、速度，产生最优的喷水力矩，有效抵抗各种影响船舶正常工作姿态的因素，进而使船舶保持精准的工作姿态。

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