CN114802587A - 主动位移补偿式超稳四体船 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船舶与海洋科技和自动控制技术领域,公开了一种主动位移补偿式超稳四体船,所述超稳四体船包括:分离式主船体,用于搭载乘客和装备;4个独立的片体,用于放入水中支撑主船体,安装轮机电等动力设施;中央承力柱(C柱),用于承载整船的结构受力,连接片体、主船体等各个部件;执行机构,用于在程序控制下推动或拉动片体上下移动;超稳控制方法,用于控制执行机构动作。根据本发明的主动位移补偿式超稳四体船,可让船在波浪中保持一个稳定的状态,保障船体上的摄像头、激光、声纳、机械臂等先进技术设备可高效运行,保障搭载的乘客乘坐舒适和生命安全,可广泛应用于无人船、快艇、私人游艇、公务艇、科学实验船艇等领域。

Description

主动位移补偿式超稳四体船
技术领域
本发明涉及船舶与海洋科技和自动控制技术领域,具体是涉及分体式船舶设计、多轴姿态控制技术、运动位移补偿技术。
背景技术
船舶受到水面条件影响而摇晃,是船舶、水面装备应用首先的最大的技术瓶颈之一,摇晃不稳定状态下摄像头、激光、声纳、机械臂等先进技术设备不能正常工作,乘客身体会产生剧烈不适,甚至船舶、水面装备会出现倾覆、沉没等灾难性风险。
传统船舶耐波性设计主要依靠船体线型和附加装置来实现减摇。线型设计需要针对于特定海况开展,不同海况条件稳定效果各异,同时线型设计时为了平衡耐波性,会牺牲船舶高速性、空间布局适用性、动力经济性等其他性能。附加装置有减摇水舱、稳定鳍、陀螺减摇器、T型水翼等,附加装置存在应用船型受限、安装要求复杂、影响船舶其他性能等缺陷,而且,它们达到的稳定效果仅仅只能改善船体摇晃,无法实现足够稳定,不能满足先进技术设备工作和乘坐人员舒适需求。
发明内容
鉴于上述问题,本发明提供主动位移补偿式超稳四体船设计,解决了船在水中摇晃的问题,同时还可提升船舶高速性、空间舒适性、动力经济性等其他性能。
1、本发明第一方面提供了一种4片体可以独立运动的四体船设计,包括:
中央承力柱(C柱)设计,通过中央承力柱设计,将片体和主船体分离,使得主船体的姿态不再受到片体的直接影响,将波浪的对主船体的影响实施物理隔离。
分离式主船体,主船体用于搭载乘客和装备,安装与C柱之上,不与水面接触,主船体的造型可以任意设计成需要的形状,无需考虑船舶在水中性能,只需专注于功能对空间的需求。
悬挂机构设计,片体通过该机构与C柱连接,支撑主船体,通过该机构可实现单个片体独立运动,能够自由上下位移以补偿波浪引起水面的上下波动。
平行杆设计,通过连接与片体和C柱的平行杆,将片体无论上下如何移动,垂直方向始终与C柱平行,使得片体不会出现侧倾侧翻风险。
4片体设计,4个独立的片体通过C柱将主船体支撑于水面之上,4片体分布与正方形的4个顶点,支撑结构稳定,片体的设计无需考虑耐波性和抗倾覆性,只需专注于高速性能、动力经济性。
2、本发明第二方面提供了一种位移补偿执行机构,包括:
主动执行机构,用于推拉悬臂,通过执行驱动单元的指令控制伺服电机动作,使得片体在垂直方向上产生位移,补偿波浪上下起伏的波动,在一些实施例中,根据按照四体船载重等级选用舵机、步进电机、丝杠推进、液压缸等其他设备。
被动减震机构,用于吸收片体自身动力系统产生的震动和水面碎波纹产生的高频抖动,该机构连接在主动执行机构之上,在一些实施例中,根据参数设定需要采用弹簧、液压、空气弹簧等装置。
3、本发明第三方面提供了超稳控制系统,包括:
运算控制单元,用于获取处理传感器数据,通过超稳控制算法生成控制指令发送给执行驱动单元。
执行驱动单元,用于为位移补偿执行机构供电,接收处理运算控制单元指令并驱动位移补偿执行机构按照指令动作。
姿态获取单元,用于获取主船体三轴姿态参数,包括角度、角速度、加速度,并将参数传递给运算控制单元。
超稳控制算法程序,用于处理姿态数据,生成控制指令。
本申请实施例中,通过精准的算法程序,对可以独立上下运动的4个片体进行位移,消除水面波浪上下波动的影响,保证主船体的超稳状态,搭载在主船体上的摄像头、激光、声纳、机械臂等先进技术设备可以在复杂水面状态下高效运行,搭载的乘客免受摇晃的痛苦。超稳四体船解决了船在水上摇晃的技术难题,可广泛应用于无人船、快艇、私人游艇、公务艇、科学实验船艇等领域。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为:四体船结构示意图
图2为:悬挂机构组成图
图3为:超稳控制系统原理图
图4为:传感器布置图
图5为:超稳控制算法流程框图
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
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。
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面结合附图,对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下,下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供一种主动位移补偿超稳四体船设计,图1为本发明实施例提供的四体船的结构示意图。
参照图1,所述四体船包括主船体1、中央承力柱(C柱)2、悬臂3、平行杆4、4个片体5,片体支撑柱6,执行机构7。具体而言,主船体1安装在中央承力柱2顶部,片体5与片体支撑柱6组成整体,通过悬臂3连接在中央承力柱2侧面,悬臂3与支撑柱6以及中央承力柱2的连接均为转动轴连接,片体 5与中央承力柱2的垂直方向位移可通过悬臂6转动而调节。当水面出现向下的波浪,执行机构7将向下推动悬臂3带动片体5向下移动,使得中央承力柱2不会受到影响而保持平稳,从而保证连接在中央承力柱之上的主船体1始终保持平稳。同理,水面出现向上的波浪,执行机构7将向上拉动悬臂3。
需要说明的是,中央承力柱(C柱)上还可安装水下潜器、无人机平台、机械手臂等其他设备,以实现本发明实施例的应用拓展。
在悬臂3上下转动过程中,平行杆4与悬臂3共同作用,使得片体5始终垂直。需要说明的是,在一些实施例中,比如转弯时,为了更符合运动学设计,会有意调整位移参数,使得片体略微倾斜。在一些实施例中,悬臂3和平行杆4会上下位置对调。
图2是执行机构的组成图,参照图2,执行机构由伺服电机21和空气弹簧22组成,伺服电机21按照控制指令伸缩以推动悬臂旋转,空气弹簧22起到隔振的作用。需要说明的是,在一些实施例中,会选用舵机、液压等其他执行器替代伺服电机,会选用弹簧、氮气弹簧、液压减震器等其他减震设备替代空气弹簧。
图3是超稳控制系统原理图,参照图3,运算控制单元31收集上述所有传感器的信息,通过超稳控制算法程序32,计算出每个执行机构需要执行的动作,并将指令发送给执行驱动单元33,执行驱动单元控制执行机构动作。
图4是传感器布置图,参照图4,本实施例在主船体中部安装了1个陀螺仪姿态传感器41,主船体的 4个角分别安装了1个加速度传感器42,在每个片体与片体支撑柱之间分别安装了1个位移传感器43,在一些实施例中,传感器可以增加、减少。陀螺仪姿态传感器41用于感知主船体是否处于水平状态,加速度传感器42用于监测主船体的受力方向,片体与片体支撑柱之间是弹性连接,位移传感器43可以获取片体与片体支撑柱之间距离变化,提前预判主船体可能的姿态变化。
图5是超稳控制算法流程框图,参考图5,通过位移传感器的参数,判断出该片体下一阶段可能的位移走向,该走向将影响到主船体姿态,提前向执行机构发出动作指令,该提前量可以消除执行机构的响应延迟。
通过姿态传感器的参数,可以判断主船体的是否出现倾斜,一旦出现细微倾斜角立刻向执行机构发出动作指令,修正姿态,执行机构的机械特性,在执行时会有一定的延迟,该延迟由上述提前预判的指令弥补误差。
当判断出主船体姿态倾斜时,有两个控制选择,一是将升高位置的片体下压,而是将降低的位置的片体抬高,此时通过判断加速度传感器的参数决定采用哪种方式。
该算法通过3种传感器的参数可以快速响应主船体的姿态变化,选择正确的方式进行位移补偿,并通过提前预判消除执行机构的机械延迟误差。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种片体可以独立运动的四体船,其特征在于,包括:
分离式主船体,用于搭载乘客和装备。
4个独立的片体,用于放入水中支撑主船体,安装轮机电等动力设施。
中央承力柱(C柱),用于承载整船的结构受力,连接片体、主船体等各个部件。
悬挂机构设计,用于连接片体和中央承力柱,用于片体能够上下移动。
执行机构,用于在程序控制下推动或拉动片体上下移动。
2.根据权利要求1所述的片体可以独立运动的四体船,其特征在于:所述的中央承力柱(C柱)还可安装水下潜器、无人机平台、机械手臂等其他拓展应用设备。
3.根据权利要求1所述的片体可以独立运动的四体船,其特征在于:所述的悬挂机构还包括平行杆,用于片体在运动过程中始终垂直。
4.根据权利要求1所述的片体可以独立运动的四体船,其特征在于:所述的执行机构由用于主动位移补偿的执行器和用于被动减震的空气弹簧组成。
5.一种超稳控制方法,其特征在于,包括:
运算控制单元,用于获取处理传感器数据,通过超稳控制算法生成控制指令发送给执行驱动单元。
执行驱动单元,用于为位移补偿执行机构供电,接收处理运算控制单元指令并驱动位移补偿执行机构按照指令动作。
姿态获取单元,用于获取主船体三轴姿态参数,包括角度、角速度、加速度,并将参数传递给运算控制单元。
超稳控制算法程序,用于处理姿态数据,生成控制指令。
6.根据权利要求5所述的超稳控制方法,其特征在于:所述的超稳控制算法程序根据片体姿态参数对主船体即将受到的影响进行预判,提前进行唯一补偿操作,消除执行机构机械固有的延迟性能带来的误差。
7.根据权利要求5所述的超稳控制方法,其特征在于:所述的超稳控制算法程序根据加速度传感器的参数,判断是增加其中一些片体的位移还是减少另一些片体的位移以达到主船体水平控制的目的,使得主船体垂直方向上的移动更加平滑。
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