CN114810733A - 一种分段式压浪板自适应调节系统 - Google Patents

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周喻
蒙浩
刘慧芳
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Abstract

一种分段式压浪板自适应调节系统，包括上层控制终端、主控制器、液压控制系统、压浪板，所述压浪板为至少两个，各压浪板分别通过万向节与船体尾部连接，每个压浪板与船体之间连接两个液压缸，所述液压控制系统包括液压泵、至少两个电磁换向阀，一个电磁换向阀控制一个压浪板的两个液压缸，各电磁换向阀的控制端与主控制器电连接，所述主控制器与液压控制系统的液压泵电连接，所述液压泵分别为液压系统的各个电磁换向阀提供液压，各个压浪板的两个液压缸上设置的位移传感器均与主控制器电连接，所述主控制器分别与惯性导航系统、上层控制终端电连接。

Description

一种分段式压浪板自适应调节系统
技术领域
本发明涉及无人水上航行器自动化控制领域，具体涉及一种分段式压浪板自适应调节系统。
背景技术
传统有人驾驶船只的压浪板为一块整体结构，不分左右，压浪板的动作由驾驶员通过操纵杆完成，其调节的姿态非常有限。随着无人驾驶技术的快速发展和广泛应用，无人水上航行器由于机动性强、成本低、控制灵活等诸多优点，在环保监测、科研勘探、水下测绘、搜索救援等民用领域得到广泛应用，同时在排爆除爆、危险源探测等特种领域也有涉及，具有不可估量的发展前景。然而，现有无人水上航行器的压浪板仍然是一块整体结构，其调节系统对一块整体结构的压浪板的控制相对简单，功能和调节方式比较单一和固定，为了满足无人船只在高速航行过程中的机动性、安全性和通用性，一种分段式压浪板自适应调节系统显得非常必要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种分段式压浪板自适应调节系统，通过模糊控制方法获得当前航速下无人水上航行器的俯仰角对应的最佳压浪板倾斜角度作为目标倾斜角度，再按照压浪板的目标倾斜角度计算出各液压缸的目标行程，再由主控制器向液压控制系统发出命令改变输出压力来调整各液压缸的实时行程，使压浪板倾斜角度满足要求，让压浪板的姿态满足无人水上航行器的当前航行状态，以提高无人水上航行器的机动性和安全性。
本发明的目的是采用下述方案实现的：一种分段式压浪板自适应调节系统，包括上层控制终端、主控制器、液压控制系统、压浪板，所述压浪板为至少两个，各压浪板分别通过万向节与船体尾部连接，每个压浪板与船体之间连接两个液压缸，所述液压控制系统包括液压泵、至少两个电磁换向阀，一个电磁换向阀控制一个压浪板的两个液压缸，各电磁换向阀的控制端与主控制器电连接，所述主控制器与液压控制系统的液压泵电连接，所述液压泵分别为液压系统的各个电磁换向阀提供液压，各个压浪板的两个液压缸上设置的位移传感器均与主控制器电连接，所述主控制器分别与惯性导航系统、上层控制终端电连接。
优选地，所述液压缸为双作用液压缸，一个压浪板的两个双作用液压缸均通过一双向液压锁与一个电磁换向阀的两个出油口连通，各电磁换向阀的进油口均与主油路相连，各电磁换向阀的回油口均与回油路连接，所述主油路与液压泵的下游端连接，液压泵的上游端与油箱连通。
优选地，所述电磁换向阀为三位四通电磁换向阀，所述三位四通电磁换向阀的一个出油口通过双向液压锁的一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第一进油端连通，另一个出油口通过双向液压锁的另一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第二进油端连通。
优选地，所述主油路上设置一单向阀。
优选地，所述液压泵的下游端通过一溢流旁路与油箱连通，所述溢流旁路上设有一溢流阀。
优选地，所述主油路与回油路之间通过一安全阀相连。
优选地，所述主控制器与液压泵的驱动电机电连接。
优选地，所述回油路通过一过滤器与油箱连通。
优选地，所述主控制器内置一模糊关系数据库，用于模糊控制液压控制系统的输出压力。
优选地，所述惯性导航系统为具有卫星定位和惯性导航定位两种功能的组合式惯导系统。
本发明包含如下有益效果：所述压浪板为至少两个，各压浪板分别通过万向节与船体尾部连接，每个压浪板与船体之间连接两个液压缸，所述两个液压缸之间具有一定的间距，能够满足调整压浪板倾斜角度的需求，所述液压控制系统包括液压泵、至少两个电磁换向阀，一个电磁换向阀控制一个压浪板的两个液压缸，各电磁换向阀的控制端与主控制器电连接，所述主控制器与液压控制系统的液压泵电连接，所述液压泵分别为液压系统的各个电磁换向阀提供液压，各个压浪板的两个液压缸上设置的位移传感器均与主控制器电连接，所述主控制器分别与惯性导航系统、上层控制终端电连接，上层控制终端通过上层控制意图获取压浪板的目标倾斜角度，按照压浪板的目标倾斜角度计算出各液压缸的目标行程，主控制器向液压控制系统发出命令改变输出压力来调整各液压缸的实时行程，使压浪板倾斜角度满足要求，让压浪板的姿态具有多样性，以适用于各种不同的航行情况。
优选地，所述液压缸为双作用液压缸，一个压浪板的两个双作用液压缸均通过一双向液压锁与一个电磁换向阀的两个出油口连通，各电磁换向阀的进油口均与主油路相连，各电磁换向阀的回油口均与回油路连接，所述主油路与液压泵的下游端连接，液压泵的上游端与油箱连通，采用双作用液压缸能够将液体压力更快的转换成可控的线性运动输出力，从而驱动压浪板迅速翻转至目标倾斜角度。
优选地，所述电磁换向阀为三位四通电磁换向阀，所述三位四通电磁换向阀的一个出油口通过双向液压锁的一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第一进油端连通，另一个出油口通过双向液压锁的另一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第二进油端连通，采用双向液压锁防止双作用液压缸的活塞杆在重力作用下自动伸出或受力后自动缩回，当三位四通电磁换向阀处于中位时，双向液压锁的两个液控单向阀关闭，可严密封闭双作用液压缸两腔的油液，这时活塞就不会因外力作用而产生移动，以保证船只在快速航行中，压浪板倾斜角度的稳定性。
优选地，所述主油路上设置一单向阀，防止油流反向流动。
优选地，所述液压泵的下游端通过一溢流旁路与油箱连通，所述溢流旁路上设有一溢流阀，当液压泵下游端的液压超过规定值时，溢流阀顶开，液压泵下游端中的一部分油液通过溢流旁路导回到油箱中，使液压泵下游端的液压降低到规定值以下，从而保证液压控制系统不会因压力过高而发生事故。
优选地，所述主油路与回油路之间通过一安全阀相连，所述安全阀处于常闭状态，当主油路的液压超过规定值时，安全阀顶开，将主油路中的一部分油液通过回油路导回油箱，使主油路的液压降低到规定值以下，从而起到对人身安全和设备运行的重要保护作用。
优选地，所述主控制器与液压泵的驱动电机电连接，主控制器通过驱动电机的控制器对液压泵进行控制，从而控制整个液压控制系统的输出压力。
优选地，所述回油路通过一过滤器与油箱连通，以保证液压控制系统中油液的清洁度，减少对液压元件的磨损，使设备能够长时间稳定运行。
优选地，所述主控制器内置一模糊关系数据库，用于模糊控制液压控制系统的输出压力，所述模糊关系数据库包括由事先采集的同类水上航行器的各压浪板在不同航速下的最佳姿态信息，以及其对应的压浪板倾斜角度、液压缸行程。
优选地，所述惯性导航系统为具有卫星定位和惯性导航定位两种功能的组合式惯导系统，若组合式惯导系统采用卫星定位功能进行GPS定位时，水上航行器处于卫星信号强度不足的恶劣工作环境下，无法获取GPS信号时，则自动切换到惯性导航定位的工作状态，根据陀螺的输出建立导航坐标系后，再由加速度计输出的解算出航行器在导航坐标系中的速度和位置，以得到准确的航行器信息。
本发明的优点如下：
① 本发明可以避免压浪板的倾斜角度在经济性不理想的区域长时间维持，进而达到节省油料或电量的目的，大大提升了航行器的机动性能和续航里程；
② 在航行器处于恶劣海况下行驶时，本发明可以根据航行器不同的转向对压浪板的倾斜角度进行微调，以最大程度降低航行器受到的水流扰动和冲击，缩小其转弯半径，增强狭窄水域的通行能力和安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中压浪板与船体之间的结构示意图；
图3为本发明实施例中液压控制系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，一种分段式压浪板自适应调节系统，包括上层控制终端、一内置模糊关系数据库的主控制器、液压控制系统、压浪板，所述压浪板为至少两个，各压浪板分别通过万向节21与船体22尾部下端连接，每个压浪板与船体22尾部上端之间连接两个液压缸，各液压缸的两端均通过铰接座分别与压浪板和船体22尾部上端铰接。所述液压控制系统包括液压泵4、至少两个电磁换向阀，一个电磁换向阀控制一个压浪板的两个液压缸，所述液压缸为双作用液压缸，一个压浪板的两个双作用液压缸均通过一双向液压锁与一个电磁换向阀的两个出油口连通，各电磁换向阀的进油口均与主油路24相连，所述主油路24上设置一单向阀8。各电磁换向阀的回油口均与回油路25连接，所述回油路25通过一过滤器6与油箱1连通，所述回油路25与主油路24之间通过一安全阀10相连，所述主油路24与液压泵4的下游端连接，液压泵4的上游端与油箱1连通，所述液压泵4的下游端通过一溢流旁路与油箱1连通，所述溢流旁路上设有一溢流阀3。各电磁换向阀的控制端与主控制器电连接，所述主控制器与液压控制系统的液压泵4电连接，所述液压泵4分别为液压系统的各个电磁换向阀提供液压，各电磁换向阀均为三位四通电磁换向阀，所述三位四通电磁换向阀的一个出油口通过双向液压锁的一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第一进油端连通，另一个出油口通过双向液压锁的另一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第二进油端连通。各个液压缸的位移传感器均分别与主控制器电连接，实时采集液压缸位移传感器的电压信号，作为闭环控制的状态反馈。所述主控制器分别与惯性导航系统、上层控制终端电连接，所述主控制器为汽车级32位单片机，其内置的模糊关系数据库包括模糊控制规则表，根据该模糊控制规则表可以获得当前航速下无人水上航行器的俯仰角对应的最佳压浪板倾斜角度以及各液压缸的目标行程。
所述惯性导航系统为具有卫星定位和惯性导航定位两种功能的组合式惯导系统，用于接收GPS和北斗系统卫星信号实现航速的反馈，并同时通过其内部的陀螺仪和加速度计反馈航行器的俯仰角信息，其反馈的航速精度不低于0.1m/s，俯仰角精度不低于0.1度。
所述油箱1设置一液位计2，用于测量油箱1内油液的液位，所述溢流旁路的溢流阀3与液压泵4的下游端之间设置一溢流旁路压力表7，所述安全阀10与主油路24之间设置一安全阀压力表9，用于监测油压。
所述液压泵4的驱动电机5以及油箱1的温度均采用水冷的形式进行降温，能够维持驱动电机5的长时间工作，当主控制器请求液压动力时能够迅速响应。
本实施例中，所述压浪板包括左压浪板26、右压浪板27，所述左压浪板26与船体22之间设有第一液压缸13、第二液压缸14，所述右压浪板27与船体22之间设有第三液压缸15、第四液压缸16，所述第一液压缸13、第二液压缸14、第三液压缸15、第四液压缸16均为最新的工业双作用液压缸，其加入了传感器反馈和一个电子液压伺服阀，从而能完成复杂的高速和位移控制，以满足根据实时信息迅速调整压浪板姿态的需求。
所述第一液压缸13、第二液压缸14通过第一双向液压锁12与第一三位四通电磁换向阀11的两个出油口连通，所述第一三位四通电磁换向阀11的一个出油口通过第一双向液压锁12的一个液控单向阀与第一液压缸13、第二液压缸14的第一进油端连通，另一个出油口通过第一双向液压锁12的另一个液控单向阀与第一液压缸13、第二液压缸14的第二进油端连通。
所述第三液压缸15、第四液压缸16通过第二双向液压锁17与第二三位四通电磁换向阀18的两个出油口连通，所述第二三位四通电磁换向阀18的一个出油口通过第二双向液压锁17的一个液控单向阀与第三液压缸15、第四液压缸16的第一进油端连通，另一个出油口通过第二双向液压锁17的另一个液控单向阀与第三液压缸15、第四液压缸16的第二进油端连通。
所述第一三位四通电磁换向阀11、第二三位四通电磁换向阀18的进油口均与主油路24相连，第一三位四通电磁换向阀11、第二三位四通电磁换向阀18的回油口均与回油路25连接，所述第一三位四通电磁换向阀11、第二三位四通电磁换向阀18均为新型三位四通电磁换向阀，在结构设计,工艺设计,材料选用等方面作了重大改进，体积比传统电磁阀减小1/3,具有很强的防震防水性能。
安装有本实施例的无人水上航行器在航行过程中，通过上层控制终端获取上层控制意图后，主控制器通过CAN总线实时接收组合式惯导系统反馈的航速信息以及航行器姿态信息，即航行器的俯仰角，为了进一步提高系统的实时性和灵敏度，达到500Kpbs的高速通信速率，CAN总线模块采用CAN2.0B标准。
经过主控制器计算和逻辑判断，将当前状态下的第一液压缸13、第二液压缸14、第三液压缸15、第四液压缸16的目标行程与其位移传感器反馈的实时行程进行比对处理，如果两者之间的误差值超过预设的阈值，主控制器向液压控制系统发出命令改变输出压力用于调整各液压缸达到目标行程，以达到改变压浪板倾斜角度的目的，使压浪板的姿态具有多样性，适用于以下各种不同的航行情况：
① 当无人水上航行器需要在水上制动时，主控制器分别以上层控制终端提供的低航速阈值和倒车斗下放指令为判断依据，向液压控制系统下发左、右压浪板以整体状态同时翻转至最低倾斜角度的指令，从而增大船身阻力，缩短水上制动距离；
② 当无人水上航行器需要在水上低速航行时，即上层控制终端请求的航速较小，主控制器通过采集组合式惯导系统反馈的航速和俯仰角信息判断出此时的无人水上航行器处于低速航行状态，则主控制器向液压控制系统下发收回指令，主控制器控制相应的电磁换向阀使液压控制系统控制四个液压缸同时减小行程，将左、右压浪板置于水平方向完全收回状态，尽可能的降低航行阻力；
③ 当无人水上航行器需要在水上加速航行时，主控制器检测到上层控制终端下发的加速请求后，主控制器以组合式惯导系统反馈的航速和俯仰角信息为判断条件，当航行器的航速和俯仰角同时达到主控制器中设定的压浪板下调阈值时，主控制器开始向液压控制系统下发压浪板下放指令，主控制器控制相应的电磁换向阀使液压控制系统控制四个液压缸同时增大行程，从而带动左、右压浪板以整体姿态开始下行，同时采集位移传感器反馈的位移数据，并进行角度转换，当左、右压浪板的倾斜角度达到与当前航速匹配的目标角度时，主控制器停止向液压控制系统下发请求指令，液压控制系统使电磁换向阀处于常闭状态，例如三位四通电磁换向阀处于中位时。随着航速的进一步增加，航行器需要更大的升力来达到滑水状态，主控制器实时根据航速以及船姿的变化向液压控制系统下发压浪板整体姿态调整指令，保证左、右压浪板的倾斜角度与航速以及船姿之间的对应关系符合目标要求，从而在最短时间内实现航行器突破阻力峰滑行；
④ 当无人水上航行器需要在水上进行转向时，上层控制终端下发转向请求，根据转向的方向和转角的变化速率，主控制器开始向液压控制系统下发指令，使左、右压浪板以不同的目标倾斜角度进行翻转，若航行器需向左转向时，左、右压浪板的左侧液压缸伸长，右侧液压缸收缩，将左、右压浪板均调整为右高左低的状态，便于航行器向左侧转向；当航行器需向右转向时，左、右压浪板的右侧液压缸伸长，左侧液压缸收缩，将左、右压浪板均调整为左高右低的状态，便于航行器向右侧转向。在转向过程中，同时采集位移传感器反馈的位移数据，并进行角度转换，当左、右压浪板的倾斜角度达到与当前航速匹配的目标角度时，主控制器停止向液压控制系统下发请求指令，液压控制系统使电磁换向阀处于常闭状态，使左、右压浪板保持当前的倾斜角度。
随着上层控制终端请求的转向角度和速率再次发生变化时，主控制器利用模糊控制算法，再次根据模糊关系数据库里的已有对应关系，向液压控制系统下发动作指令，从而实现缩小转弯半径，提升航行器狭窄水域通行能力的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下，对本发明进行的改动均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分段式压浪板自适应调节系统，包括上层控制终端、主控制器、液压控制系统、压浪板，其特征在于，所述压浪板为至少两个，各压浪板分别通过万向节（21）与船体（22）尾部连接，每个压浪板与船体（22）之间连接两个液压缸，所述液压控制系统包括液压泵（4）、至少两个电磁换向阀，一个电磁换向阀控制一个压浪板的两个液压缸，各电磁换向阀的控制端与主控制器电连接，所述主控制器与液压控制系统的液压泵（4）电连接，所述液压泵（4）分别为液压系统的各个电磁换向阀提供液压，各个压浪板的两个液压缸上设置的位移传感器均与主控制器电连接，所述主控制器分别与惯性导航系统、上层控制终端电连接。
2.根据权利要求1所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述液压缸为双作用液压缸，一个压浪板的两个双作用液压缸均通过一双向液压锁与一个电磁换向阀的两个出油口连通，各电磁换向阀的进油口均与主油路（24）相连，各电磁换向阀的回油口均与回油路（25）连接，所述主油路（24）与液压泵（4）的下游端连接，液压泵（4）的上游端与油箱（1）连通。
3.根据权利要求2所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述电磁换向阀为三位四通电磁换向阀，所述三位四通电磁换向阀的一个出油口通过双向液压锁的一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第一进油端连通，另一个出油口通过双向液压锁的另一个液控单向阀与两个双作用液压缸的第二进油端连通。
4.根据权利要求2所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述主油路（24）上设置一单向阀（8）。
5.根据权利要求2所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述液压泵（4）的下游端通过一溢流旁路与油箱（1）连通，所述溢流旁路上设有一溢流阀（3）。
6.根据权利要求2所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述主油路（24）与回油路（25）之间通过一安全阀（10）相连。
7.根据权利要求1所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述主控制器与液压泵（4）的驱动电机（5）电连接。
8.根据权利要求1所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述回油路（25）通过一过滤器（6）与油箱（1）连通。
9.根据权利要求1所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述主控制器内置一模糊关系数据库，用于模糊控制液压控制系统的输出压力。
10.根据权利要求1所述的分段式压浪板自适应调节系统，其特征在于：所述惯性导航系统为具有卫星定位和惯性导航定位两种功能的组合式惯导系统。
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