CN114545823A - 一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统 - Google Patents

一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，单手柄操纵器安装在船模驾驶台，发出合力信号；液压执行单元包括与喷水推进装置对应数量的液压缸，液压缸与倒车斗连接；电控执行单元包括与喷水推进装置对应数量的步进电机和伺服电机，步进电机与转向机构连接，伺服电机与主推轴连接；上位机获取单手柄操纵器的信号经过矢量控制算法处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，将处理后的信号下发；伺服电机控制主机转速，下位机获取信号后传达给液压执行单元和步进电机，进而分别控制倒车斗和转向机构的角度。本发明仅需一个单手柄操纵器可实现对喷水推进船模航行试验方向和速度的联合控制，从而实现船模运动的矢量控制。

Description

一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统
技术领域
本发明属于船舶操纵性技术领域，具体涉及一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统。
背景技术
喷水推进装置有别于一般的螺旋桨推进方式，喷水推进是装在船上的水泵将水向后喷出，利用反推力使舰船按照要求运动。相比于螺旋桨推进，喷水推进装置有优异的机动性能和操纵性能，较高的推进效率，传动简单，便于日常维护和保养。
目前喷水推进船舶还是多采用舵轮和主机控制手柄等传统的转向机构，这种传统的结构较难实现船舶复杂运动简单操纵的效果。国外例如Hamilton等喷水推进装置制造商已开展矢量控制方面的研究，但是核心技术并未公开。喷水推进方式相比于螺旋桨和吊舱推进方式控制参数多，对于装有N套喷水推进装置的船舶需要同步控制3N个参数，控制难度较大。因此针对喷水推进船模在平移、绕点运动等低速工况下，国内并没有完整设计一套适用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，该系统仅需要一个单手柄操纵器发出合力/力矩信号，通过矢量控制算法为多套喷水推进装置分配转速和转向倒车机构角度，使得喷水推进船模可轻易实现各种复杂操纵，同时降低驾驶员的驾驶难度。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，包括单手柄操纵器、上位机监控单元、下位机控制单元、液压执行单元、电控执行单元；所述单手柄操纵器安装在船模驾驶台，由驾驶员按照需要发出合力信号；所述液压执行单元包括与喷水推进装置对应数量的液压缸，所述液压缸与其对应喷水推进装置的倒车斗连接；所述电控执行单元包括与喷水推进装置对应数量的步进电机和伺服电机，其中，所述步进电机与其对应喷水推进装置的转向机构连接，所述伺服电机与其对应喷水推进装置的主推轴连接；上位机获取单手柄操纵器的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，并将处理后的信号下发给下位机、液压执行单元、步进电机和伺服电机；伺服电机控制主机转速，下位机获取信号后传达给液压执行单元和步进电机，进而分别控制倒车斗和转向机构的角度。
上述方案中，所述喷水推进装置的数量至少为两个。
上述方案中，所述单手柄操纵器包括方向摇杆、方向旋钮、防水复位按钮和数据传输接口；所述方向摇杆的操纵范围是360°，在每一操纵方向下的操纵幅度最大为25°，摇杆的方向即为船模合力方向，摇杆的幅度即为该合力大小；所述方向旋钮的范围为±36°，旋钮方向即为船模的转向信号；所述防水复位按钮的作用是航行状态遇突发情况下，按下该按钮可让船模航速为0，同时转向机构与倒车斗角度复位到起始状态；所述数据传输接口与上位机连接，发送当前船模速度与方向信息。
上述方案中，所述方向摇杆安装在船模驾驶台，所述方向旋钮位于方向摇杆的上方，所述防水复位按钮位于手柄操纵杆的正上方，所述数据传输接口安装在手柄的正下方，数据传输接口与上位机的输入口相连。
上述方案中，所述矢量控制智能算法包括以下步骤：
步骤1、上位机实时获取单手柄操纵器发出的船模合力信号；
步骤2、上位机将手柄信息转化为喷水推进船模矢量控制的合力方向和合力大小信息；
步骤3、根据喷水推进装置运动机构的物理特性限制进行等式约束和不等式约束，同时考虑喷水推进船模航向稳定性和动态响应特性，设计推力分配目标函数；
步骤4、采用序列二次规划算法求解推力分配目标函数，可获得N套喷水推进装置对应的3N套主机转速、倒车斗角度和转向机构角度，同时将推力分配好的转速角度信息下发给下位机和伺服电机执行单元。
上述方案中，步骤3中，所设计的推力分配目标函数、等式约束、不等式约束具体如下：
Figure BDA0003514969540000031
c0≤ni≤c1/不等式约束
a0≤αi≤a1/不等式约束
b0≤βi≤b1/不等式约束
式中：f为推力分配目标函数；wi为权重因子，i＝1～N，N表示喷水推进装置个数，i表示第i个喷水推进装置；ni为第i个喷水推进装置转速；ni0是第i个喷水推进装置上一时刻转速；Ni为第i个喷水推进装置转速范围；αi为第i个喷水推进装置转向机构角度；αi0为第i个喷水推进装置上一时刻转向机构角度；Ai为第i个喷水推进装置转向机构运动范围；βi为第i个喷水推进装置倒车斗角度；βi0为第i个喷水推进装置上一时刻倒车斗角度；Bi为第i个喷水推进装置倒车斗运动范围；Tx为各喷水推进装置纵向力；Fx为船模纵向合力；Ty为各喷水推进装置横向力；Fy为船模横向合力；M为船模扭矩；lxi为第i个喷水推进装置在X轴方向的坐标；lyi为第i个喷水推进装置在Y轴方向的坐标；c0为喷水推进装置的最低转速；c1为喷水推进装置的最高转速；a0为喷水推进装置转向机构向左运动最大角度；a1为喷水推进装置转向机构向右运动最大角度；b0为喷水推进装置倒车斗收起时最小角度；b1为喷水推进装置倒车斗放下时最大角度。
上述方案中，所述上位机监控单元包括工控机、显示屏和蓄电池；所述工控机布置于单手柄操纵器正后方，用于获取单手柄操纵器的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，使船体按照手柄终端的运动方向和运动幅度作相应的船体运动；所述显示屏通过传输线与工控机相连并位于工控机的正上方，方便驾驶员实时监控船模姿态；所述蓄电池为整个单手柄矢量控制系统供电。
上述方案中，所述下位机控制单元包括单片机，单片机位于船中工控机的后方，接收工控机发送的转向机构与倒车斗的角度信息，然后使用高级定时器发送脉冲调制信号来控制步进电机运动，使用普通定时器发送通断信号控制液压执行单元运动。
上述方案中，所述液压执行单元包括液压油箱、液压泵，以及与喷水推进装置数量对应的多组三位四通电磁阀、液压缸以及位移传感器；所述液压油箱为整个液压系统提供循环液压油；所述液压泵进口与液压油箱出油口相连，液压泵出口连接各三位四通电磁阀；所述三位四通电磁阀的控制信号接口与所述单片机GPIO口相连，三位四通电磁阀通过液压油管与对应的液压缸相连；所述液压缸通过倒车收放传动杆与对应的倒车斗连接；所述位移传感器设置于液压缸一侧，电子尺端通过连杆机构与液压缸活塞杆相连，接线端使用Modbus协议与工控机PCI接口相连，位移传感器获取液压缸实时杆长变化并反馈给上位机。
上述方案中，所述电控执行单元还包括与喷水推进装置对应数量的步进电机驱动器和伺服驱动器；所述步进电机驱动器通过信号线与单片机GPIO口相连，所述步进电机驱动器与对应的步进电机连接，所述步进电机通过连杆机构带动对应的转向机构运动；所述伺服驱动器通过PCI串口线使用Modbus协议直接与上位机的工控机相连，实时获取矢量控制算法分配的转速数据，伺服驱动器与对应的伺服电机连接，伺服电机通过联轴器带动对应喷水推进装置的主推轴转动。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提出的针对多个喷水推进装置的单手柄矢量控制系统，仅需一个单手柄操纵器可实现对喷水推进船模方向和速度的联合控制，可便捷实现船模停靠港时的复杂操纵，驾驶思路更加易懂，优于传统的舵轮和主机控制手柄来操纵喷水推进船模，可充分发挥喷水推进装置优异的操纵性；同时该系统的矢量控制算法以运动机构变化最小为优化目标，经算法寻优为多套运动机构计算出主机转速和倒车转向角度变化最小值，减少了该系统的运动损耗。
2.喷水推进船模矢量控制对于多套喷水推进装置的转向机构与倒车斗角度控制要求严苛，现有倒航控制系统常用比例电磁阀，价格较贵且控制过程复杂。本发明中倒车斗的收放控制采用价格更低的三位四通电磁换向阀代替比例换向阀，并在液压系统中增加节流阀元件可以减少液压系统波动和调节系统流量；对主推轴和转向机构采用电控，从而降低了喷水推进船模单手柄矢量控制系统的造价，同时该系统运动机构简单，实用性强。
3.在船模停靠港时实现横移、斜航和原地回转运动时，船模在外界干扰下容易出现偏航，传统的人工操纵多套设备进行航向调整可靠性低，且驾驶难度大。本发明的单手柄矢量控制系统，驾驶员可以观察船体运动情况以及上位机显示器，仅需通过调整单手柄操纵器的方向旋钮即可做出航向修正，使得船模有更好的运动控制，极大简化了操纵员的驾驶难度，提高船模运动的可靠性。
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是本发明用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统的整体结构示意图；
图2是图1所示单手柄矢量控制系统的单手柄操纵器的结构示意图；
图3是图1所示单手柄矢量控制系统的三位四通电磁阀的安装示意图；
图4是图1所示单手柄矢量控制系统的液压执行单元的流程示意图。
图中：10、单手柄操纵器；11、方向摇杆；12、方向旋钮；13、防水复位按钮；14、数据传输接口；
20、上位机监控单元；21、工控机；22、显示屏；23、蓄电池；
30、下位机控制单元；31、单片机；
40、液压执行单元；41、液压油箱；42、液压泵；43、三位四通电磁阀；431、进油P口；432、回油T口；433、油路底座；44、节流阀；45、溢流阀；46、液压缸；47、位移传感器；
50、电控执行单元；51、步进电机驱动器；52、步进电机；53、伺服驱动器；54、伺服电机；
60、主推轴；
70、转向机构；
80、倒车斗。
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，为本发明实施例提供的一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，该控制系统适用于喷水推进装置的数量至少为两个的船模。单手柄矢量控制系统包括单手柄操纵器10、上位机监控单元、下位机控制单元、液压执行单元、电控执行单元。单手柄操纵器10安装在船模驾驶台中央，由驾驶员按照需要发出合力信号。上位机获取手柄信号并进行数据处理下发给下位机和伺服控制器，伺服电机54控制喷水推进装置主机转速，下位机获取信号后传达给液压执行单元和步进电机52进而分别控制喷水推进装置的倒车斗80和转向机构70的角度。本实施例中，喷水推进装置的数量为两个，关于船中对称分布于船模的两侧。
参见图2，单手柄操纵器10包括方向摇杆11、方向旋钮12、防水复位按钮13和数据传输接口14；方向摇杆11安装在船模驾驶台，连接处装有密封轴套；方向旋钮12位于方向摇杆11的上方；防水复位按钮13位于手柄操纵杆的正上方；数据传输接口14安装在手柄的正下方，数据传输接口14为usb口，需通过USB转TTL模块与上位机连接。方向摇杆11的操纵范围是360°，在每一操纵方向下的操纵幅度最大为25°，摇杆的方向即为船模的合力方向，摇杆的幅度即为该合力的大小。方向旋钮12的范围为±36°，旋钮方向即为船模的转向信号。防水复位按钮13的作用是航行状态遇突发情况下，按下该按钮可让船模航速为0，同时转向机构70与倒车斗80角度复位到起始状态。数据传输接口14与工控机21连接，发送当前船模速度与方向信息。单手柄操纵器10内置霍尔传感器，它是一种基于霍尔效应的磁场感应器，具有抗电磁干扰、耐受高低温，可让单手柄操纵器在恶劣环境下可以正常工作。
继续参见图1，上位机监控单元包括工控机21、液晶显示屏22和蓄电池23。工控机21布置于船中，位于单手柄操纵器10正后方，主要作用是获取单手柄操纵器10的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，使船体按照手柄终端的运动方向和运动幅度作相应的船体运动。工控机21内置8口RS485/422PCI高速多串口卡，能够将单端的PCI信号转化为平衡差分的RS485/RS422信号，同时可保护后面的电路元件不因瞬态高压冲击而损坏，保持与下位机、电控伺服设备持续高效的通讯。液晶显示屏22通过VGA传输线与工控机21相连并位于工控机21的正上方，方便驾驶员实时监控船模姿态。船模航行过程中需要通过蓄电池23为整个单手柄矢量控制系统供电。
继续参见图1，下位机控制单元包括PZ6806L单片机31，PZ6806L单片机31安装于船中工控机21的后方，用来接收转向倒车角度信息并进行处理，其芯片为STM32F103ZET6芯片，工控机21的COM7输出口通过RS485转换模块与下位机的单片机31的A、B口相连，单片机31通过USART模块接收工控机21发送的转向机构70与倒车斗80的角度信息，然后使用Timer高级定时器发送PWM脉冲调制信号来控制步进电机运动，使用普通定时器发送GPIO通断信号控制液压执行单元运动。具体的，单片机31获取上位机传输的倒车斗80角度，需将数据转化为三位四通电磁阀43的通断时间，使用普通定时器TIM4来控制中断即可，通过PF1、PF2、PF3、PF4引脚经光耦模块分别与左右两侧的三位四通电磁阀43的接线口相连，光耦模块可在电路上将干扰源和易受干扰的部分隔离开，同时还具有单向传输性，保护电路的输入输出。而单片机31获取上位机传输的转向机构70角度，需将数据转化为步进电机的脉冲数，即需要使用高级定时器TIM1和TIM8来精确计算脉冲个数，TIM1定时器使用PA8引脚为左步进电机驱动器写入PWM信号，使用PC9引脚的通断来控制左步进电机的正反转；TIM8定时器使用PA11引脚为右步进电机驱动器写入PWM信号，使用PA12引脚的通断来控制右步进电机的正反转。
参见图1、图3和图4，液压执行单元包括液压油箱41、液压泵42，以及与喷水推进装置对应的两组三位四通电磁阀43、节流阀44、溢流阀45、液压缸46以及位移传感器47。液压油箱41安装于船中，为整个液压系统提供循环液压油，其出油口与液压泵42进口相连。液压泵42安装于船尾末端，液压泵42出口使用三通接口连接左三位四通电磁阀、右三位四通电磁阀的进油P口431。三位四通电磁阀43置于液压泵42的正后方，电磁阀阀口与单片机31GPIO口相连。节流阀44与溢流阀45均为底座式，实际安装如图3，三位四通电磁阀43、溢流阀45和节流阀44叠加在油路底座433上，三位四通电磁阀43通过回油T口432将系统内的油循环到液压油箱41。左三位四通电磁阀的A、B油口与左液压缸46连接，左液压缸46安装在船尾左舷上，通过倒车斗收放传动杆与左倒车斗80连接，将左倒车斗80控制在指定角度。右三位四通电磁阀的A、B油口与右液压缸46连接，右液压缸46安装在船尾右舷上，通过倒车斗收放传动杆与右倒车斗80连接，将右倒车斗80控制在指定角度。电磁阀收到定时器通断信号后，开启响应电磁阀的阀门，液压油从液压油箱41被泵入到液压泵42中，从油路阀座进油P口逐一流入节流阀44、溢流阀45，节流阀44可减小液压管路流量和减少油路系统波动，溢流阀45可使液压系统保持稳压状态；若左电磁阀的B油路开启，液压油泵入到左液压缸46中，推动拉杆伸出量增加，通过倒车斗收放连杆带动左倒车斗80放下，反之，如果左电磁阀5的A油路开启，液压油泵入到左液压缸46中，推动拉杆伸出量减少，通过倒车斗收放连杆带动左倒车斗80收起；右电磁阀的运动同左电磁阀；油路关闭则拉杆停止位移，倒车斗80固定在某一角度。位移传感器47设置于液压缸46一侧，电子尺端通过连杆机构与液压缸46活塞杆相连，接线端使用Modbus协议与工控机21PCI接口相连，位移传感器47获取液压缸46实时杆长变化(即当前位移状态)并反馈给上位机。
继续参见图1，电控执行单元包括与喷水推进装置对应的两组步进电机驱动器51、伺服驱动器53、步进电机52和伺服电机54。两个步进电机驱动器51安装于单片机31后方，分别通过信号线与单片机31GPIO口相连，步进电机驱动器51的脉冲频率设置为800比特率，与单片机31脉冲数保持一致。步进电机驱动器51与对应的步进电机52连接。左步进电机驱动器接收单片机31指定脉冲数来控制左步进电机52通过转向传动杆带动左转向机构70到达智能算法分配的角度；右步进电机驱动器接收单片机31指定脉冲数来控制右步进电机52，通过转向传动杆带动右转向机构70到达智能算法分配的角度。两个伺服驱动器53安装于船中两侧，分别通过PCI串口线使用Modbus协议直接与上位机的工控机21相连，伺服电机54驱动器均设置为速度模式，工控机21通过写入Modbus协议来给两台伺服驱动器53写入算法分配的速度指令，左伺服电机驱动器和右伺服电机驱动器分别与左伺服电机、右伺服电机相连，两个伺服电机54分别通过联轴器转动带动两个喷水推进装置主推轴60达到指定转速，为喷水推进装置提供动力来源。
进一步优化，船体电源为12V蓄电池23，放置在船首，为工控机21、液晶显示屏22、伺服电机驱动器54、步进电机驱动器51、位移传感器47、光耦模块和液压泵42进行供电。
本发明提供的喷水推进装置的单手柄矢量控制系统的工作过程是：操纵员操纵方向摇杆11，摇杆的方向即为船模运动方向，摇杆的幅度即为该方向的运动速度大小，旋转方向旋钮12可改变船头方向，使用复位按钮即可进行停船操作同时将转向机构70和倒车斗80的角度复位到初始位置。
单手柄操纵器10发出指令后，上位机的工控机21接收合力/力矩指令，通过矢量控制算法为两套喷水推进装置计算相应的转向、倒车角度和主推电机速度，显示屏22可实时显示当前船模姿态和智能算法分配结果，便于操纵员根据当前运动情况做出下一步的判断。工控机21的推力分配算法以运动机构变化最小为优化目标，经算法寻优为两套运动机构计算出主机转速和倒车转向角度变化值，同时将数据传递给单片机31。工控机21将转速指令直接发给左伺服电机驱动器和右伺服电机驱动器，经驱动器分别控制左伺服电机和右伺服电机，进而控制船模主推轴60转速。单片机31通过USART模式获取上位机数据，通过普通定时器TIM4将倒车斗80信号转化为定时器通断时间，并下传给左电磁阀和右电磁阀，通过高级定时器TIM1和TIM8将转向机构70的角度信息转化为PWM脉冲信号，并下传给左步进电机驱动器和右步进电机驱动器。
工控机21的矢量控制算法包括以下步骤：
步骤1、实时获取单手柄操纵器10发出的船模合力信号；
步骤2、工控机21将手柄信息转化为喷水推进船模矢量控制的合力方向和合力大小信息；
步骤3、根据喷水推进装置运动机构的物理特性限制进行等式约束和不等式约束，同时考虑喷水推进船模航向稳定性和动态响应特性，设计推力分配目标函数；
步骤4、采用SQP方法(序列二次规划算法)求解推力分配目标函数，可获得N套喷水推进装置对应的3N套主机转速、倒车斗角度和转向机构角度，同时将推力分配好的转速角度信息下发给下位机和伺服电机执行单元。
优选地，步骤3中，所设计的等式约束、不等式约束和推力分配目标函数具体如下：
等式约束是用来描述喷水推进系统各类型推力与控制力之间的关系。喷水推进船模配置N个喷水推进装置，取船模回转中心为原点，船首方向为X轴，指向船舷右侧为Y轴，第i个喷水推进装置安装位置为(lxi,lyi)，喷水推进装置作用于船模的3N个自由度上的力和力矩可分别表示为：
Figure BDA0003514969540000101
Figure BDA0003514969540000102
Figure BDA0003514969540000103
式中，ni为第i个喷水推进装置转速；αi为第i个喷水推进装置转向机构角度；βi为第i个喷水推进装置倒车斗角度；Tx为各喷水推进装置纵向力；Fx为船模纵向合力；Ty为各喷水推进装置横向力；Fy为船模横向合力；M为船模扭矩；lxi为第i个喷水推进装置在X轴方向的坐标，lyi为第i个喷水推进装置在Y轴方向的坐标。
将上述公式用矩阵形式表示如下：τ＝BNT
其中，τ为船模所受到合力和力矩矩阵，T为各推进器推力，BN为推进器的配置矩阵，具体形式如下所示：
Figure BDA0003514969540000111
Figure BDA0003514969540000112
Figure BDA0003514969540000113
各个推进器在执行推力指令前，还需要考虑自身机械性能约束以及各推进器间的水动力干扰，由于本实施例为双体船，安装的两套推进器距离较远，推力分配中暂不考虑水动力干扰。
不等式约束仅考虑主推转速、倒车斗角度和转向机构角度，其中推进器转速ni为c0≤ni≤c1、推进器转向机构角度αi为a0≤αi≤a1、推进器倒车斗角度βi为b0≤βi≤b1。其中，c0为喷水推进装置的最低转速；c1为喷水推进装置的最高转速；a0为喷水推进装置转向机构向左运动最大角度；a1为喷水推进装置转向机构向右运动最大角度；b0为喷水推进装置倒车斗收起时最小角度；b1为喷水推进装置倒车斗放下时最大角度。
为了满足不同的控制需求，推力分配目标函数可选择功率消耗、操纵性、推进器磨损、动力系统稳定性和奇异性等不同优化目标。矢量控制算法在等式约束和不等式约束下，获取单手柄控制合力/力矩信息后可拆解为多套推进器运动方案，因此为了减少运动损耗选定运动机构变化幅度最小为其目标函数，减少运动机构的变化幅度还可增加系统稳定性。推力分配目标函数如下：
Figure BDA0003514969540000121
式中：f为推力分配目标函数；wi为权重因子；ni为第i个喷水推进装置转速；ni0是第i个喷水推进装置上一时刻转速；Ni为第i个喷水推进装置转速范围；αi为第i个喷水推进装置转向机构角度；αi0为第i个喷水推进装置上一时刻转向机构角度；Ai为第i个喷水推进装置转向机构运动范围；βi为第i个喷水推进装置倒车斗角度；βi0为第i个喷水推进装置上一时刻倒车斗角度；Bi为第i个喷水推进装置倒车斗运动范围。
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 (10)

1.一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，包括单手柄操纵器、上位机监控单元、下位机控制单元、液压执行单元、电控执行单元；所述单手柄操纵器安装在船模驾驶台，由驾驶员按照需要发出合力信号；所述液压执行单元包括与喷水推进装置对应数量的液压缸，所述液压缸与其对应喷水推进装置的倒车斗连接；所述电控执行单元包括与喷水推进装置对应数量的步进电机和伺服电机，其中，所述步进电机与其对应喷水推进装置的转向机构连接，所述伺服电机与其对应喷水推进装置的主推轴连接；上位机获取单手柄操纵器的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，并将处理后的信号下发给下位机、液压执行单元、步进电机和伺服电机；伺服电机控制主机转速，下位机获取信号后传达给液压执行单元和步进电机，进而分别控制倒车斗和转向机构的角度。
2.根据权利要求1所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述喷水推进装置的数量至少为两个。
3.根据权利要求1所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述单手柄操纵器包括方向摇杆、方向旋钮、防水复位按钮和数据传输接口；所述方向摇杆的操纵范围是360°，在每一操纵方向下的操纵幅度最大为25°，摇杆的方向即为船模合力方向，摇杆的幅度即为该合力大小；所述方向旋钮的范围为±36°，旋钮方向即为船模的转向信号；所述防水复位按钮的作用是航行状态遇突发情况下，按下该按钮可让船模航速为0，同时转向机构与倒车斗角度复位到起始状态；所述数据传输接口与上位机连接，发送当前船模速度与方向信息。
4.根据权利要求3所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述方向摇杆安装在船模驾驶台，所述方向旋钮位于方向摇杆的上方，所述防水复位按钮位于手柄操纵杆的正上方，所述数据传输接口安装在手柄的正下方，数据传输接口与上位机的输入口相连。
5.根据权利要求1所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述矢量控制智能算法包括以下步骤：
步骤1、上位机实时获取单手柄操纵器发出的船模合力信号；
步骤2、上位机将手柄信息转化为喷水推进船模矢量控制的合力方向和合力大小信息；
步骤3、根据喷水推进装置运动机构的物理特性限制进行等式约束和不等式约束，同时考虑喷水推进船模航向稳定性和动态响应特性，设计推力分配目标函数；
步骤4、采用序列二次规划算法求解推力分配目标函数，可获得N套喷水推进装置对应的3N套主机转速、倒车斗角度和转向机构角度，同时将推力分配好的转速角度信息下发给下位机和伺服电机执行单元。
6.根据权利要求5所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，步骤3中，所设计的推力分配目标函数、等式约束、不等式约束具体如下：
Figure FDA0003514969530000021
Figure FDA0003514969530000022
Figure FDA0003514969530000023
Figure FDA0003514969530000024
c0≤ni≤c1/不等式约束
a0≤αi≤a1/不等式约束
b0≤βi≤b1/不等式约束
式中：f为推力分配目标函数；wi为权重因子，i＝1～N，N表示喷水推进装置个数，i表示第i个喷水推进装置；ni为第i个喷水推进装置转速；ni0是第i个喷水推进装置上一时刻转速；Ni为第i个喷水推进装置转速范围；αi为第i个喷水推进装置转向机构角度；αi0为第i个喷水推进装置上一时刻转向机构角度；Ai为第i个喷水推进装置转向机构运动范围；βi为第i个喷水推进装置倒车斗角度；βi0为第i个喷水推进装置上一时刻倒车斗角度；Bi为第i个喷水推进装置倒车斗运动范围；Tx为各喷水推进装置纵向力；Fx为船模纵向合力；Ty为各喷水推进装置横向力；Fy为船模横向合力；M为船模扭矩；lxi为第i个喷水推进装置在X轴方向的坐标；lyi为第i个喷水推进装置在Y轴方向的坐标；c0为喷水推进装置的最低转速；c1为喷水推进装置的最高转速；a0为喷水推进装置转向机构向左运动最大角度；a1为喷水推进装置转向机构向右运动最大角度；b0为喷水推进装置倒车斗收起时最小角度；b1为喷水推进装置倒车斗放下时最大角度。
7.根据权利要求1所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述上位机监控单元包括工控机、显示屏和蓄电池；所述工控机布置于单手柄操纵器正后方，用于获取单手柄操纵器的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，使船体按照手柄终端的运动方向和运动幅度作相应的船体运动；所述显示屏通过传输线与工控机相连并位于工控机的正上方，方便驾驶员实时监控船模上各个喷水推进装置的转速和转向倒车机构角度；所述蓄电池为整个单手柄矢量控制系统供电。
8.根据权利要求7所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述下位机控制单元包括单片机，单片机位于船中工控机的后方，接收工控机发送的转向机构与倒车斗的角度信息，然后使用高级定时器发送脉冲调制信号来控制步进电机运动，使用普通定时器发送通断信号控制液压执行单元运动。
9.根据权利要求8所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述液压执行单元包括液压油箱、液压泵，以及与喷水推进装置数量对应的多组三位四通电磁阀、液压缸以及位移传感器；所述液压油箱为整个液压系统提供循环液压油；所述液压泵进口与液压油箱出油口相连，液压泵出口连接各三位四通电磁阀；所述三位四通电磁阀的控制信号接口与所述单片机GPIO口相连，三位四通电磁阀通过液压油管与对应的液压缸相连；所述液压缸通过倒车收放传动杆与对应的倒车斗连接；所述位移传感器设置于液压缸一侧，电子尺端通过连杆机构与液压缸活塞杆相连，接线端使用Modbus协议与工控机PCI接口相连，位移传感器获取液压缸实时杆长变化并反馈给上位机。
10.根据权利要求8所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述电控执行单元还包括与喷水推进装置对应数量的步进电机驱动器和伺服驱动器；所述步进电机驱动器通过信号线与单片机GPIO口相连，所述步进电机驱动器与对应的步进电机连接，所述步进电机通过连杆机构带动对应的转向机构运动；所述伺服驱动器通过PCI串口线使用Modbus协议直接与上位机的工控机相连，实时获取矢量控制算法分配的转速数据，伺服驱动器与对应的伺服电机连接，伺服电机通过联轴器带动对应喷水推进装置的主推轴转动。
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