CN115437387A - 基于人机工程的船舶姿态控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶姿态控制技术领域，具体地说，涉及基于人机工程的船舶姿态控制系统。其包括船位控制单元、舵机控制单元和吊向控制单元。本发明操作人员通过行径规划模块、船位规划模块对船舶的航线路线以及船位的摆放进行控制，并通过舵机控制单元、吊向控制单元对舵机以及吊向机的控制，加快船舶转向或掉头的速度，减少船舶航行时的旋回初径，使船舶快速掉头或转向，减少船舶在掉头或转向时航线的距离，确保船舶在航线上形式，提高船舶在夜间航行的安全性。

Description

基于人机工程的船舶姿态控制系统

技术领域

本发明涉及船舶姿态控制技术领域，具体地说，涉及基于人机工程的船舶姿态控制系统。

背景技术

船舶在水面上行驶的过程中，存在不同的船舶姿态，如船舶在进行掉头、拐弯时均会出现横移偏移量，而在船舶出现横移偏移量时，船舶的船位会推离原先的航线，增加船舶驾驶的困难程度，同时在船舶遇到有风天气或河流存在流速的情况，船舶的掉头或转向的旋回初径都会改变，使船舶航线出现偏移，尤其是在黑夜行驶船舶时，船舶偏离航线会增加船舶搁浅、碰撞的事故发生的概率，增加船舶夜间航行的危险性，故需要一种在船舶掉头或转向时对船舶姿态进行控制的系统来保证船舶在航线上行驶。

发明内容

本发明的目的在于提供基于人机工程的船舶姿态控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，提供了基于人机工程的船舶姿态控制系统，包括船位控制单元、舵机控制单元和吊向控制单元，所述船位控制单元用于规划船舶的运动轨迹和移动方向，且在根据规划的移动方向形成船舶姿态调整的指令，并在指令形成后将指令传输到舵机控制单元、吊向控制单元，使舵机控制单元、吊向控制单元根据接收到的指令进行进行船舶的操控；所述舵机控制单元用于对操作人员的操作指令进行船舶行径的反应，并根据操作人员的操作指令进行船舶舵机角度的调整；所述吊向控制单元对舵机控制单元控制的舵机角度即进行分析，并在分析后对船首吊向机进行角度的控制，且舵机控制单元、吊向控制单元通过控制舵机和吊向机对船位进行改变，船位控制单元实时获取船舶信息，并根据获得信息形成新的指令来控制舵机控制单元、吊向控制单元对舵机、吊向机的操纵。

作为本技术方案的进一步改进，所述船位控制单元包括行径规划模块、船位规划模块和姿态调整模块；

所述行径规划模块用于操作人员规划船舶的行径路线；

所述船位规划模块用于操作人员对船舶的船位进行规划调整；

所述姿态调整模块用于接收行径规划模块、船位规划模块中获取的信息，并根据行径规划模块、船位规划模块中的信息对船舶当前的船舶姿态进行调整，使船位和航行方向符合行径规划模块、船位规划模块中规划的信息数据。

作为本技术方案的进一步改进，所述船位控制单元还包括船舶定位模块，所述船舶定位模块用于对船舶的船位进行定位，获得船舶当前的位置信息，且行径规划模块、船位规划模块在进行船位以及航线的规划时，均通过船舶定位模块进行船位的确定。

作为本技术方案的进一步改进，所述舵机控制单元包括进车反应模块、倒车反应模块以及舵机角度控制模块；

所述进车反应模块用于对操作人员发出的前进指令进行操作反应，使船舶的推进器将船舶向前推动；

所述倒车反应模块用于对操作人员发出的后退指令进行操作反应，使船舶的推进器将船舶向后推动；

所述舵机角度控制模块用于根据操作人员对舵机角度的调整，使船舶的舵机倾角进行改变。

作为本技术方案的进一步改进，所述吊向控制单元包括舵角分析模块和吊向机角度控制模块；

所述舵角分析模块对舵机角度控制模块控制的船舶舵机转向的角度进行分析，并在分析的过程中接收姿态调整模块发出的船舶姿态的信息，并根据船舶姿态信息对吊向机的旋转角度进行指令的设定，使吊向机对船首的方向进行对应的调整；

所述吊向机角度控制模块用于接收舵角分析模块分析的吊向机转向的角度的数据，并根据接收的数据对吊向机进行转向的调整，使吊向机带动船首进行转向操作。

作为本技术方案的进一步改进，所述吊向控制单元还包括泊车控制模块，所述泊车控制模块用于控制吊向机角度控制模块、舵机角度控制模块，使船舶形成横移或掉头的趋势。

作为本技术方案的进一步改进，所述行径规划模块将规划的航线线路传输到进车反应模块中，使进车反应模块根据航线线路以及操作人员的指令对推进器进行前进的控制；

所述船位规划模块将船位的信息传输到船位规划模块、行径规划模块中，并通过姿态调整模块将对舵机角度控制模块的控制，使船舶按照规划的船位信息进行船舶的移动，且在船位移动的过程中，吊向机角度控制模块控制吊向机转动的角度来辅助船舶船位的移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该基于人机工程的船舶姿态控制系统中，操作人员通过行径规划模块、船位规划模块对船舶的航线路线以及船位的摆放进行控制，并通过舵机控制单元、吊向控制单元对舵机以及吊向机的控制，加快船舶转向或掉头的速度，减少船舶航行时的旋回初径，使船舶快速掉头或转向，减少船舶在掉头或转向时航线的距离，确保船舶在航线上形式，提高船舶在夜间航行的安全性。

2、该基于人机工程的船舶姿态控制系统中，通过舵机控制单元对舵机角度的控制，并通过吊向控制单元对船舶舵机转向角度进行分析，并在分析后对吊向机的转向角度进行控制，使吊向机配合推进器对船舶的船位进行调整，使船舶移动到规定的位置，同时通过吊向机和舵机的配合，使船舶形成横移的效果，降低船舶离泊、靠泊的难度，使船舶便于在狭小空间的移动。

附图说明

图1为本发明的整体框图；

图2为本发明的船位控制单元框图；

图3为本发明的舵机控制单元框图；

图4为本发明的吊向控制单元框图；

图5为本发明的整体组合框图；

图6为本发明的船舶进车掉头或转向示意图；

图7为本发明的船舶横移示意图；

图8为本发明的船舶倒车掉头示意图。

图中各个标号意义为：

1、船位控制单元；11、行径规划模块；12、船位规划模块；13、姿态调整模块；14、船舶定位模块；

2、舵机控制单元；21、进车反应模块；22、倒车反应模块；23、舵机角度控制模块；

3、吊向控制单元；31、舵角分析模块；32、吊向机角度控制模块；33、泊车控制模块。

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

船舶在水面上行驶的过程中，存在不同的船舶姿态，如船舶在进行掉头、拐弯时均会出现横移偏移量，而在船舶出现横移偏移量时，船舶的船位会推离原先的航线，增加船舶驾驶的困难程度，同时在船舶遇到有风天气或河流存在流速的情况，船舶的掉头或转向的旋回初径都会改变，使船舶航线出现偏移，尤其是在黑夜行驶船舶时，船舶偏离航线会增加船舶搁浅、碰撞的事故发生的概率，增加船舶夜间航行的危险性，故需要一种在船舶掉头或转向时对船舶姿态进行控制的系统来保证船舶在航线上行驶。

目前为了方便船舶的转向，会在船首的位置安装吊向机(掉头机)，通过吊向机对水的冲击力而带动船首的快速转向，而吊向机在使用时的转向是人为控制的，在正常的航行时，吊向机不会工作，如此便使吊向机只有在船舶离泊时帮助船舶进行船首的转向，船舶在空载时，船舶的转向易于控制，但在船舶满载的情况，船舶的舵性降低，在船舶转向时，船舶转向的速度慢，如此在船舶转向的过程中，船舶很容易脱离船舶准备形式的航迹线，如此使容易使船舶脱离航道而出现船舶搁浅、触礁等情况，严重时甚至会出现船舶间的碰撞。

为了提高船舶在航线时的安全性，请参阅图1-图5所示，本实施例目的在于，提供了基于人机工程的船舶姿态控制系统，包括船位控制单元1、舵机控制单元2和吊向控制单元3；

船位控制单元1用于规划船舶的运动轨迹和移动方向，且在根据规划的移动方向形成船舶姿态调整的指令，并在指令形成后将指令传输到舵机控制单元2、吊向控制单元3，使舵机控制单元2、吊向控制单元3根据接收到的指令进行进行船舶的操控；

船位控制单元1包括行径规划模块11、船位规划模块12和姿态调整模块13；

行径规划模块11用于操作人员规划船舶的行径路线，其中行径路线可以通过AIS船舶自动识别系统中留下的航迹线进行规划选择，而航迹线为操作人员原先在AIS船舶自动识别系统中留下的船舶原先留下的航迹，船舶沿着原先留下的航迹线形式，可以保证船舶在航行时不会出现船舶搁浅、触礁等情况，保证船舶在航道中正常的航行。

船位规划模块12用于操作人员对船舶的船位进行规划调整，操作人员通过显示屏来对船舶的位置进行调整，使船舶移动到规划的位置，如将船舶的船位进行横移调整、掉头调整或拐弯调整等，使船舶移动到想要到达的位置，同时也可以通过调整出船舶规划的位置来使船舶进行横向移动，使船舶便于在狭小的空间中进行靠泊、离泊；

姿态调整模块13用于接收行径规划模块11、船位规划模块12中获取的信息，并根据行径规划模块11、船位规划模块12中的信息对船舶当前的船舶姿态进行调整，使船位和航行方向符合行径规划模块11、船位规划模块12中规划的信息数据。

船位控制单元1还包括船舶定位模块14，船舶定位模块14用于对船舶的船位进行定位，获得船舶当前的位置信息，其中船舶定位信息通过北斗导航定位系统进行获取，且通过北斗导航定位系统还可以获取船舶的移动方向，如船舶前进的方向、船舶横移的趋势以及船舶的航速，且行径规划模块11、船位规划模块12在进行船位以及航线的规划时，均通过船舶定位模块14进行船位的确定。

舵机控制单元2用于对操作人员的操作指令进行船舶行径的反应，并根据操作人员的操作指令进行船舶舵机角度的调整；

舵机控制单元2包括进车反应模块21、倒车反应模块22以及舵机角度控制模块23；

进车反应模块21用于对操作人员发出的前进指令进行操作反应，使船舶的推进器将船舶向前推动，使船舶出现前进的运动趋势；

倒车反应模块22用于对操作人员发出的后退指令进行操作反应，使船舶的推进器将船舶向后推动，使船舶出现后退的运动趋势；

舵机角度控制模块23用于根据操作人员对舵机角度的调整，使船舶的舵机倾角进行改变，而舵机倾角的改变再配合船舶的运动趋势使船首方向进行转向的调整。

吊向控制单元3对舵机控制单元2控制的舵机角度即进行分析，并在分析后对船首吊向机进行角度的控制，且舵机控制单元2、吊向控制单元3通过控制舵机和吊向机对船位进行改变，船位控制单元1实时获取船舶信息，并根据获得信息形成新的指令来控制舵机控制单元2、吊向控制单元3对舵机、吊向机的操纵。

吊向控制单元3包括舵角分析模块31和吊向机角度控制模块32；

舵角分析模块31对舵机角度控制模块23控制的船舶舵机转向的角度进行分析，并在分析的过程中接收姿态调整模块13发出的船舶姿态的信息，并根据船舶姿态信息对吊向机的旋转角度进行指令的设定，使吊向机对船首的方向进行对应的调整；

吊向机角度控制模块32用于接收舵角分析模块31分析的吊向机转向的角度的数据，并根据接收的数据对吊向机进行转向的调整，使吊向机带动船首进行转向操作。

吊向控制单元3还包括泊车控制模块33，泊车控制模块33用于控制吊向机角度控制模块32、舵机角度控制模块23，使船舶形成横移或掉头的趋势，以便于船舶在狭小的空间进行船位的调整，便于船舶的靠泊、离泊。

同时，行径规划模块11将规划的航线线路传输到进车反应模块21中，使进车反应模块21根据航线线路以及操作人员的指令对推进器进行前进的控制；

船位规划模块12将船位的信息传输到船位规划模块12、行径规划模块11中，并通过姿态调整模块13将对舵机角度控制模块23的控制，使船舶按照规划的船位信息进行船舶的移动，且在船位移动的过程中，吊向机角度控制模块32控制吊向机转动的角度来辅助船舶船位的移动。

本系统在使用时存在三种状态，包括船舶进车掉头或转向、船舶横移以及船舶倒车掉头三种状态，系统控制每种状态的步骤和船舶示意如下：

操作人员通过船舶定位模块14定位到船舶的信息，并通过行径规划模块11船舶行径的路线，选择船舶航行的轨迹，并通过船位规划模块12确定船舶移动后船位摆放的位置，船舶行径线路和船位信息均传输到姿态调整模块13中，使姿态调整模块13根据船舶当前的位置进行船位姿态进行调整，并将调整好的信息分别传输到舵机控制单元2、吊向控制单元3中，使舵机控制单元2、吊向控制单元3对舵机和吊向机的方向进行控制，船舶在移动的过程中，船舶定位模块14对船舶的位置进行实时的定位，以此来获取船舶当前的船位，同时姿态调整模块13再根据当前的船位信息向舵机控制单元2、吊向控制单元3传递控制信息，使舵机和吊向机继续调整，使船位移动到指定的位置。

其中，当船舶在进车的状态下进行掉头或转向时，参考图6，进车反应模块21接收到姿态调整模块13发出的前进指令，并根据操作人输入的前进指令进行前操作，使推进器产生向前推进的动力，舵机角度控制模块23接收姿态调整模块13的指令，并在接收到指令后，将舵机向着船首需要转向的位置旋转，如图6中a的一侧方向，使船首向着靠近a的方向转动，此时舵角分析模块31接收舵机角度控制模块23舵机转动的角度，并对舵机转动的角度进行分析，获取吊向机转动的方向和大小，并在分析完毕后，通过吊向机角度控制模块32控制吊向机向着舵机旋转的反方向旋转，使吊向机产生的水流向着b的方向冲击加快船首的旋转，减小船舶转向的旋回初径，使船舶在转向时不会出现航迹线过远的情况，提高船舶夜间航行的安全性，同时减小船舶的旋回初径，也提高了船舶转向的灵敏度，使船舶在有风天气时也可以正常的船舶操作。

当船舶进行横移操作，使船舶在狭小的空间进行靠泊、离泊或行驶时，参考图7，姿态调整模块13向泊车控制模块33发出泊车的指令，舵机角度控制模块23控制舵机向着a的方向旋转，此时推进器进行前推，吊向机角度控制模块32控制吊向机旋转，使吊向机和冲击水流的方向和舵机引导推进器产生的水流均向着a方向流动，而舵机和吊向机的方向相反，此时船舶受到推进器和吊向机的推力，使船舶向着b方向横移，以此来方便船舶在狭窄空间中的移动。

当船舶进行倒车掉头时，参考图8，舵机角度控制模块23控制舵机旋转，使舵机向着靠近a侧旋转，且姿态调整模块13控制倒车反应模块22，使倒车反应模块22控制推进器进行反向旋转，使推进器产生的水流向着船首的方向流动，此时，船舶的尾部向着a侧偏移，船首向着b侧偏移，舵角分析模块31分析舵机，并通过姿态调整模块13对吊向机角度控制模块32的控制，使吊向机角度控制模块32控制吊向机向着舵机的同方向旋转，使吊向机产生的水流向着a侧流动，吊向机产生的水流将船首向着b侧推动，如此加快船首的转向，减小船舶掉头的旋回初径，使船舶便于在狭窄河段掉头。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.基于人机工程的船舶姿态控制系统，其特征在于：包括船位控制单元（1）、舵机控制单元（2）和吊向控制单元（3），所述船位控制单元（1）用于规划船舶的运动轨迹和移动方向，且在根据规划的移动方向形成船舶姿态调整的指令，并在指令形成后将指令传输到舵机控制单元（2）、吊向控制单元（3），使舵机控制单元（2）、吊向控制单元（3）根据接收到的指令进行进行船舶的操控；所述舵机控制单元（2）用于对操作人员的操作指令进行船舶行径的反应，并根据操作人员的操作指令进行船舶舵机角度的调整；所述吊向控制单元（3）对舵机控制单元（2）控制的舵机角度即进行分析，并在分析后对船首吊向机进行角度的控制，且舵机控制单元（2）、吊向控制单元（3）通过控制舵机和吊向机对船位进行改变，船位控制单元（1）实时获取船舶信息，并根据获得信息形成新的指令来控制舵机控制单元（2）、吊向控制单元（3）对舵机、吊向机的操纵。

2.根据权利要求1所述的基于人机工程的船舶姿态控制系统，其特征在于：所述船位控制单元（1）包括行径规划模块（11）、船位规划模块（12）和姿态调整模块（13）；

所述行径规划模块（11）用于操作人员规划船舶的行径路线；

所述船位规划模块（12）用于操作人员对船舶的船位进行规划调整；

所述姿态调整模块（13）用于接收行径规划模块（11）、船位规划模块（12）中获取的信息，并根据行径规划模块（11）、船位规划模块（12）中的信息对船舶当前的船舶姿态进行调整，使船位和航行方向符合行径规划模块（11）、船位规划模块（12）中规划的信息数据。

3.根据权利要求2所述的基于人机工程的船舶姿态控制系统，其特征在于：所述船位控制单元（1）还包括船舶定位模块（14），所述船舶定位模块（14）用于对船舶的船位进行定位，获得船舶当前的位置信息，且行径规划模块（11）、船位规划模块（12）在进行船位以及航线的规划时，均通过船舶定位模块（14）进行船位的确定。

4.根据权利要求2所述的基于人机工程的船舶姿态控制系统，其特征在于：所述舵机控制单元（2）包括进车反应模块（21）、倒车反应模块（22）以及舵机角度控制模块（23）；

所述进车反应模块（21）用于对操作人员发出的前进指令进行操作反应，使船舶的推进器将船舶向前推动；

所述倒车反应模块（22）用于对操作人员发出的后退指令进行操作反应，使船舶的推进器将船舶向后推动；

所述舵机角度控制模块（23）用于根据操作人员对舵机角度的调整，使船舶的舵机倾角进行改变。

5.根据权利要求1所述的基于人机工程的船舶姿态控制系统，其特征在于：所述吊向控制单元（3）包括舵角分析模块（31）和吊向机角度控制模块（32）；

所述舵角分析模块（31）对舵机角度控制模块（23）控制的船舶舵机转向的角度进行分析，并在分析的过程中接收姿态调整模块（13）发出的船舶姿态的信息，并根据船舶姿态信息对吊向机的旋转角度进行指令的设定，使吊向机对船首的方向进行对应的调整；

所述吊向机角度控制模块（32）用于接收舵角分析模块（31）分析的吊向机转向的角度的数据，并根据接收的数据对吊向机进行转向的调整，使吊向机带动船首进行转向操作。

6.根据权利要求1所述的基于人机工程的船舶姿态控制系统，其特征在于：所述吊向控制单元（3）还包括泊车控制模块（33），所述泊车控制模块（33）用于控制吊向机角度控制模块（32）、舵机角度控制模块（23），使船舶形成横移或掉头的趋势，以此来方便船舶的靠泊或船舶的掉头。

7.根据权利要求2所述的基于人机工程的船舶姿态控制系统，其特征在于：所述行径规划模块（11）将规划的航线线路传输到进车反应模块（21）中，使进车反应模块（21）根据航线线路以及操作人员的指令对推进器进行前进的控制；

所述船位规划模块（12）将船位的信息传输到船位规划模块（12）、行径规划模块（11）中，并通过姿态调整模块（13）将对舵机角度控制模块（23）的控制，使船舶按照规划的船位信息进行船舶的移动，且在船位移动的过程中，吊向机角度控制模块（32）控制吊向机转动的角度来辅助船舶船位的移动。

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