CN115503876A - 一种无人船用自稳定桅杆及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人船用自稳定桅杆及其控制方法，属于无人船领域；自稳定桅杆包括桅杆主体、下铰链、桅杆安装底座、第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件、船体姿态测量系统及自稳定桅杆控制器；桅杆安装底座与船体甲板固连，其上安装面与下铰链下安装面固连，下铰链上安装面与桅杆主体下安装面固连；第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件包括：驱动电缸上铰链、驱动电缸模块、驱动电缸下铰链，第一、第二伸缩杆组件上端与桅杆主体中部固连，下端与船体甲板固连；本发明安装于无人船船体甲板或上层建筑，通过实时调整桅杆相对船体的倾斜角度，对船体的横摇及纵摇角进行实时补偿，使安装于自稳定桅杆上的探测设备保持水平姿态相对稳定，以提升探测效果。

Description

一种无人船用自稳定桅杆及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种无人船用自稳定桅杆及其控制方法，尤其适用于无人船船体甲板或上层建筑。
背景技术
无人船桅杆，一般安装于船只甲板或上层建筑，用于安装雷达、摄像头等观测设备。
目前，传统的无人船桅杆，一般采用框架式或立杆式固定结构，其相对于船体，位置是固定的。而现有无人船，一般船体尺寸较小，航行时受波浪等外界环境的影响较大，横摇及纵摇角较大，导致桅杆上的雷达、摄像头等设备在使用时，摇晃幅度较大，影响其探测效果。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种使探测设备在工作时水平姿态保持相对稳定以提升设备探测效果的无人船用自稳定桅杆及其控制方法。
本发明的技术方案是：一种无人船用自稳定桅杆，该自稳定桅杆包括桅杆主体、下铰链、桅杆安装底座、第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件、船体姿态测量系统及自稳定桅杆控制器；桅杆安装底座下安装面与船体甲板之间固连，桅杆安装底座上安装面与下铰链下安装面固连，下铰链上安装面与桅杆主体下安装面固连；第一伸缩杆组件和第二伸缩杆组件以桅杆主体对称布置，第一伸缩杆组件的上端与第二伸缩杆组件的上端分别与桅杆主体中部固连，第一伸缩杆组件的下端与第二伸缩杆组件的下端分别与船体甲板固连；自稳定桅杆工作时，与船体甲板固连的船体姿态测量系统实时测得船体的姿态角，所述船体的姿态角包括横摇角β0、纵摇角α0，并将船体的姿态角实时传送至自稳定桅杆控制器，自稳定桅杆控制器根据测得的船体姿态角，计算得到自稳定桅杆的补偿横摇角β2、补偿纵摇角α2，以及第一伸缩杆组件目标长度ml1、第二伸缩杆组件目标长度ml2，通过实时调整第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1、第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2，实现桅杆主体绕下铰链的角度调整，对船体姿态角的变化进行补偿抵消，实现桅杆主体的姿态稳定。
第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件结构相同，包括：驱动电缸上铰链、驱动电缸模块、驱动电缸下铰链；其中，驱动电缸上铰链上安装面与桅杆主体中部固连，驱动电缸上铰链下安装面与驱动电缸模块的驱动杆铰接，驱动电缸模块的艉部安装面与驱动电缸下铰链上安装面铰接，驱动电缸下铰链下安装面与船体甲板固连。第一、第二伸缩杆组件关于桅杆主体对称布置，对桅杆主体形成结构支撑。
桅杆主体由主桅杆、N个桅杆支臂、M个设备托架组成；采用模块化安装结构，主桅杆的主体为方形薄壁管，四面管壁上加工有等距的通孔，桅杆支臂通过通孔安装，设备托架固定在桅杆支臂上，桅杆支臂、设备托架能够按需求增减，并能调整安装的位置，，N>1，M>1。
本发明中的下铰链为二自由度虎克铰。
驱动电缸模块、包含驱动电缸缸体、电缸驱动杆及旋转组件，驱动电缸缸体与电缸驱动杆组成伺服电缸结构，电缸驱动杆只能沿其轴线伸缩，旋转组件与电缸驱动杆之间固定连接，旋转组件的轴线与电缸驱动杆的轴线重合。
旋转组件包含转轴、底座、后盖及轴承配件，其中，转轴与电缸驱动杆通过螺栓固连，底座与驱动电缸上铰链通过螺栓固连，转轴绕旋转组件的轴线转动。
本发明所述的自稳定桅杆的控制方法包括如下步骤：
获取当前的船体的姿态角，所述姿态角包括横摇角β0和纵摇角α0；
计算得出自稳定桅杆的补偿角，包括补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2；
根据补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2，计算获取第一伸缩杆组件的调整目标长度ml1、第二伸缩杆组件的调整目标长度ml2，获取第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1、第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2；
根据第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1与第一伸缩杆组件的调整目标长度ml1的差值以及第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2与第二伸缩杆组件的调整目标长度ml2的差值，根据伺服电缸控制策略，计算获取第一伸缩杆组件的速度调整参数LV1、第二伸缩杆组件的速度调整参数LV2，并将速度参数调整指令下发至驱动电缸模块的驱动器，实现对第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件长度的实时调整，对船体横摇角β0和纵摇角α0的变化进行补偿抵消，实现桅杆主体的姿态稳定。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)通过实时的角度补偿，使安装于桅杆的探测设备在工作时，其空间水平姿态角变化量大幅度降低，可提升雷达、可见光、红外等类设备的探测效果。
(2)通过选择合适的电缸长度，增大稳定桅杆在俯仰角方向的调整角度，可实现桅杆在不使用时的自动倒伏功能，方便运输及设备安装。
(3)桅杆主体采用模块化安装接口设计，可自行调整安装设备的位置及数量，具有较好的可扩展性。
(4)桅杆主体及与其连接的伺服电缸组成三角形支撑结构，使桅杆结构具备良好的结构稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的总体结构爆炸图示意图；
图2为本发明实施例提供的旋转组件纵剖面示意图。
图3为本发明实施例提供的总装配图；
图4为本发明实施例提供的纵摇方向运动示意图；
图5为本发明实施例提供的横摇方向运动示意图。
图6为本发明实施例提供的桅杆自动倒伏状态示意图。
图中标注：
1、桅杆主体 2、下铰链 3、桅杆安装底座
4、驱动电缸上铰链 5、驱动电缸模块 6、驱动电缸下铰链
7、船体甲板
11、主桅杆 12、桅杆支臂 13、设备托架
51、驱动电缸缸体 52、电缸驱动杆 53、旋转组件
531、转轴 532、底座 533、后盖
具体实施方式1
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述：
参见图1，桅杆安装底座3为边长300mm、厚20mm的不锈钢板，使用螺钉与船体固连，中间涂抹结构胶密封，用于加强自稳定桅杆安装点局部结构强度。
桅杆安装底座3下安装面与船体甲板7之间通过螺钉固连，其上安装面与下铰链2下安装面通过螺钉固连，下铰链2上安装面与桅杆主体1下安装面通过螺钉固连；第一伸缩杆组件和第二伸缩杆组件结构相同，由驱动电缸上铰链4、驱动电缸模块5和驱动电缸下铰链6组成；其中，驱动电缸上铰链4上安装面通过螺钉与桅杆主体1中部固连，驱动电缸上铰链4下安装面通过转轴与驱动电缸模块5的驱动杆铰接，驱动电缸模块5的艉部安装面与驱动电缸下铰链6上安装面通过转轴铰接，二个驱动电缸下铰链6下安装面与船体甲板7之间通过螺钉固连。第一伸缩杆组件和第二伸缩杆组件以桅杆主体对称布置，对桅杆主体形成结构支撑。自稳定桅杆工作时，与船体甲板7固连的船体姿态测量系统实时测得船体的姿态角，包括横摇角β0和纵摇角α0；根据测得的船体姿态角，计算得到自稳定桅杆的补偿角，包括补偿横摇角β2、补偿纵摇角α2，及对应的第一伸缩杆组件目标长度ml1、第二伸缩杆组件目标长度ml2，通过实时调整第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1、第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2，实现桅杆主体1绕下铰链2的角度调整，对船体姿态角的变化进行补偿抵消，实现桅杆主体1的姿态稳定。
驱动电缸模块5包含驱动电缸缸体51、电缸驱动杆52及旋转组件53，其中：驱动电缸缸体51与电缸驱动杆52组成伺服电缸结构，电缸驱动杆52只可沿其轴线伸缩，不可绕其轴线转动，旋转组件53与电缸驱动杆52之间通过螺栓固定。旋转组件53的轴线与电缸驱动杆52的轴线重合，其作用在于为电缸驱动杆52提供绕轴旋转自由度。
桅杆主体1高1.2m，主桅杆11为边长100mm，壁厚4mm的不锈钢方管，方管的四个面上加工有左右间距70mm，上下间距50mm的通孔，用于安装桅杆支臂12、探测设备和设备托架13。
由于桅杆主体1采用标准化安装孔，桅杆支臂12、探测设备和设备托架13的安装位置、数量均能够按照需求调整。高度方向的调整幅度为50mm/次，绕桅杆主体1轴线的周向调整幅度为90°/次，可满足各种不同设备的安装需求。
参见图1和图2，旋转组件53由转轴531、底座532、后盖533及4个NSK6804轴承组成，转轴531与电缸驱动杆52通过螺栓固连，底座532与驱动电缸上铰链4通过螺栓固连，转轴531与底座532之间可绕旋转组件53的轴线转动；底座532内部设置有宽5mm、高2mm的轴肩，轴肩两侧各安装有2个轴承，转轴531通过轴承内圈穿入底座532内部，直至靠右侧的轴承与转轴531上的轴肩抵紧，后盖533与转轴531的左侧面紧贴，使用螺钉固定，同时后盖533抵紧左侧的两个轴承。
参见图3，第一、第二伸缩杆组件通过驱动电缸上铰链4与桅杆主体1固连，第一伸缩杆组件和第二伸缩杆组件在中间位置时呈约90°夹角，并与船体甲板7呈约30°夹角；中间位置时，桅杆主体1与船体甲板7垂直。第一、第二伸缩杆组件与桅杆主体1组成三脚支架型支撑结构，确保了桅杆整体结构的稳定性。
参见图4，第一、第二伸缩杆组件同步伸长或同步缩短时，桅杆主体1与船体甲板7的夹角变大或变小，对应于船体的纵摇方向，本实施例中，处于稳定工作状态时，桅杆在纵摇方向的角度调整幅值为±20°
参见图5，第一、第二伸缩杆组件异步调整长度时，桅杆主体1与船体甲板7的夹角变大或变小，对应于船体的横摇方向，本实施例中，处于稳定工作状态时，桅杆在横摇方向的的角度调整幅值为±20°。
具体实施方式2
参见图4与图5，自稳定桅杆稳定工作时，其控制方法如下：
一、由安装于船体甲板的船体姿态测量系统获取当前的船体的姿态角，所述姿态角包括横摇角β0和纵摇角α0，并将船体的姿态角实时传送至自稳定桅杆控制器；
二、自稳定桅杆控制器获取船体的横摇角β0和纵摇角α0后，根据预置的解算方法，得出自稳定桅杆的补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2。
其中，使用预置的解算方法得出自稳定桅杆的补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2的实现方法包括以下两步：
(1)采用最小二乘的方法，根据船体记录的姿态角数据，包括横摇角β0和纵摇角α0，得到船体的预测姿态角数据，包括预测横摇角β1和预测纵摇角α1；
采用二阶最小二乘计算公式，预测姿态角可由下列公式求得：
α1＝AA+(N+2)*AB+(N+2)*(N+2)*AC
β1＝BA+(N+2)*BB+(N+2)*(N+2)*BC
上式中，N为记录的姿态角数据取样点数，AA、AB、AC、BA、BB、BC分别为计算参数，将当前N个记录的姿态角数据记为：横摇角β0i、纵摇角α0i，i＝1，2，3...N；则计算参数AA、AB、AC、BA、BB、BC可由下述公式求得：
Figure BDA0003787437390000071
(2)根据船体预测姿态角数据及坐标转换计算公式，计算得到自稳定桅杆的当前补偿角度，包括补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2。
其中，β2＝-β1，α2＝-α1。
三、自稳定桅杆控制器根据补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2，计算获取第一、第二伸缩杆组件的调整目标长度ml1、ml2，同时通过查询指令获取驱动电机中第一、第二伸缩杆组件的当前真实长度dl1、dl2；
其中，第一、第二伸缩杆组件的调整目标长度的计算方法为：
Figure BDA0003787437390000072
Figure BDA0003787437390000073
上式中，mli，i＝1,2为第一、第二伸缩杆组件的调整目标长度，Lxi、Lyi、Lzi，i＝1,2分别为第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件在x轴、y轴、z轴的坐标分量；本实例中：定义桅杆主体为动台面，动台面坐标系相对桅杆主体固定，随桅杆主体的运动而运动；因此，Bxi ByiBzi，i＝1,2为二个驱动电缸上铰链4的铰链轴交点在动台面坐标系中的坐标；定义船体甲板为静台面，静台面坐标系相对船体甲板固定，随船体甲板的运动而运动；因此，Axi AyiAzi i＝1,2为二个驱动电缸下铰链6的铰链轴交点在静台面坐标系中的坐标，X Y Z为动台面坐标系相对于静台面坐标系的坐标系原点平移值。由于计算过程中仅需考虑相对的角度变化关系，因此动台面与静态面原点坐标的选取不做要求。
四、自稳定桅杆控制器根据第一伸缩杆组件的调整目标长度ml1、第二伸缩杆组件的调整目标长度ml2及第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1、第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2，根据伺服电缸控制策略计算获取第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件的速度调整参数，并将速度参数调整指令下发至驱动电缸模块5的驱动器，实现对第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件长度的实时调整，对船体横摇角β0和纵摇角α0的变化进行补偿抵消，实现桅杆主体的姿态稳定。
其中，所述伺服电缸控制策略具体为：
假设cl1为第一伸缩杆组件目标长度ml1与第一伸缩杆组件真实长度dl1之间的差值、cl2为第二伸缩杆组件目标长度ml2与第二伸缩杆组件真实长度dl2之间的差值，则：
Figure BDA0003787437390000081
Figure BDA0003787437390000082
上式中：
Figure BDA0003787437390000083
为第一伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的真实长度；
Figure BDA0003787437390000084
为第一伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的调整目标长度；
Figure BDA0003787437390000085
为第二伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的真实长度；
Figure BDA0003787437390000086
为第二伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的调整目标长度；
Figure BDA0003787437390000087
为第一伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的真实长度与目标长度的差值；
Figure BDA0003787437390000088
为第二伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的真实长度与目标长度的差值。
设定第一伸缩杆组件的速度调整参数为LV1、第二伸缩杆组件的速度调整参数为LV2，则有：
Figure BDA0003787437390000091
Figure BDA0003787437390000092
上式中：Kp、Ti、Td为自稳定桅杆PID控制的比例、积分、微分参数，Kp、Ti、Td为固定值；T为自稳定桅杆的控制周期。
以上控制流程为自稳定桅杆工作时的单个循环，本实施例中，自稳定桅杆每50ms执行一次控制流程，实现自稳定桅杆的实时控制。
参见图6，二个驱动电缸模块5均收缩至最短状态时，桅杆主体1处于倒伏状态。自稳桅杆直立状态的高度为1.2m，处于倒伏状态的桅杆主体1与船体甲板7之间的夹角约30°，倒伏状态的桅杆主体高度约为0.68m，桅杆整体高度降低为原高度的一半，有效降低运输状态下艇体的总高度，能够方便船只的装车运输及船只甲板上的设备安装工作。
以上所述，仅为本发明2个具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种无人船用自稳定桅杆，其特征在于：包括桅杆主体(1)、下铰链(2)、桅杆安装底座(3)、第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件、船体姿态测量系统及自稳定桅杆控制器；桅杆安装底座(3)下安装面与船体甲板(7)之间固连，桅杆安装底座(3)上安装面与下铰链(2)下安装面固连，下铰链(2)上安装面与桅杆主体(1)下安装面固连；第一伸缩杆组件和第二伸缩杆组件以桅杆主体(1)对称布置，第一伸缩杆组件的上端与第二伸缩杆组件的上端分别与桅杆主体(1)中部固连，第一伸缩杆组件的下端与第二伸缩杆组件的下端分别与船体甲板(7)固连；自稳定桅杆工作时，与船体甲板(7)固连的船体姿态测量系统实时测得船体的姿态角，所述船体的姿态角包括横摇角β0、纵摇角α0，并将船体的姿态角实时传送至自稳定桅杆控制器，自稳定桅杆控制器根据测得的船体姿态角，计算得到自稳定桅杆的补偿横摇角β2、补偿纵摇角α2，以及第一伸缩杆组件目标长度ml1、第二伸缩杆组件目标长度ml2，通过实时调整第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1、第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2，实现桅杆主体(1)绕下铰链(2)的角度调整，对船体姿态角的变化进行补偿抵消，实现桅杆主体(1)的姿态稳定。
2.根据权利要求1所述的一种无人船用自稳定桅杆，其特征在于：所述第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件结构相同，包括：驱动电缸上铰链(4)、驱动电缸模块(5)、驱动电缸下铰链(6)；其中，驱动电缸上铰链(4)上安装面与桅杆主体(1)中部固连，驱动电缸上铰链(4)下安装面与驱动电缸模块(5)的驱动杆铰接，驱动电缸模块(5)的艉部安装面与驱动电缸下铰链(6)上安装面铰接，驱动电缸下铰链(6)下安装面与船体甲板(7)固连。
3.根据权利要求1所述的一种无人船用自稳定桅杆，其特征在于：所述桅杆主体(1)由主桅杆(11)、N个桅杆支臂(12)、M个设备托架(13)组成；采用模块化安装结构，主桅杆(11)的主体为方形薄壁管，四面管壁上加工有等距的通孔，桅杆支臂(12)通过通孔安装，设备托架(13)固定在桅杆支臂(12)上，桅杆支臂(12)、设备托架(13)能够按需求增减，并能调整安装的位置，N>1，M>1。
4.根据权利要求1所述的一种无人船用自稳定桅杆，其特征在于：所述下铰链(2)为二自由度虎克铰。
5.根据权利要求1所述的一种无人船用自稳定桅杆，其特征在于：所述驱动电缸模块(5)包含驱动电缸缸体(51)、电缸驱动杆(52)及旋转组件(53)，驱动电缸缸体(51)与电缸驱动杆(52)组成伺服电缸结构，电缸驱动杆(52)只可沿其轴线伸缩，旋转组件(53)与电缸驱动杆(52)之间固定连接，旋转组件(53)的轴线与电缸驱动杆(52)的轴线重合。
6.根据权利要求5所述的一种无人船用自稳定桅杆，其特征在于：所述旋转组件(53)包含转轴(531)、底座(532)、后盖(533)及轴承配件，其中，转轴(531)与电缸驱动杆(52)固连，底座(532)与驱动电缸上铰链(4)固连，转轴(531)绕旋转组件(53)的轴线转动。
7.权利要求1所述的无人船用自稳定桅杆的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
获取当前的船体的姿态角，所述姿态角包括横摇角β0和纵摇角α0；
计算得出自稳定桅杆的补偿角，包括补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2；
根据补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2，计算获取第一伸缩杆组件的调整目标长度ml1、第二伸缩杆组件的调整目标长度ml2，获取第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1、第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2；
根据第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1与第一伸缩杆组件的调整目标长度ml1的差值以及第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2与第二伸缩杆组件的调整目标长度ml2的差值，根据伺服电缸控制策略，计算获取第一伸缩杆组件的速度调整参数LV1、第二伸缩杆组件的速度调整参数LV2，并将速度参数调整指令下发至驱动电缸模块(5)的驱动器，实现对第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件长度的实时调整，对船体横摇角β0和纵摇角α0的变化进行补偿抵消，实现桅杆主体(1)的姿态稳定。
8.根据权利要求7所述的无人船用自稳定桅杆的控制方法，其特征在于，所述自稳定桅杆的补偿角的计算方法为：
根据船体的姿态角记录数据，包括横摇角β0和纵摇角α0，计算船体的预测横摇角β1和预测纵摇角α1；
根据船体的预测横摇角β1和预测纵摇角α1，及坐标转换计算公式，计算得到自稳定桅杆的当前补偿横摇角β2和补偿纵摇角α2。
9.根据权利要求7所述的无人船用自稳定桅杆的控制方法，其特征在于：所述第一、第二伸缩杆组件的调整目标长度计算方法为：
Figure FDA0003787437380000031
Figure FDA0003787437380000032
其中：mli，i＝1,2为第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件的调整目标长度，Lxi、Lyi、Lzi，i＝1,2分别为第一伸缩杆组件、第二伸缩杆组件在x轴、y轴、z轴的坐标分量；Bxi Byi Bzi i＝1,2分别为第一驱动电缸、第二驱动电缸上铰链(4)的铰链轴交点在动台面坐标系中的坐标，Axi Ayi Azi i＝1,2分别为第一驱动电缸、第二驱动电缸下铰链(6)的铰链轴交点在静台面坐标系中的坐标，X Y Z为动台面坐标系相对于静台面坐标系的坐标系原点平移值；定义桅杆主体为动台面，动台面坐标系相对桅杆主体固定，随桅杆主体的运动而运动；定义船体甲板为静台面，静台面坐标系相对船体甲板固定，随船体甲板的运动而运动。
10.根据权利要求7所述的无人船用自稳定桅杆的控制方法，其特征在于：所述伺服电缸控制策略为：
根据第一伸缩杆组件的当前真实长度dl1与调整目标长度ml1的差值以及第二伸缩杆组件的当前真实长度dl2与调整目标长度ml2的差值，通过PID算法，获取第一伸缩杆组件的速度调整参数LV1、第二伸缩杆组件的速度调整参数LV2；速度调整参数LV1与速度调整参数LV2的计算方法为：
Figure FDA0003787437380000041
Figure FDA0003787437380000042
上式中：
Figure FDA0003787437380000043
为第一伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的真实长度与目标长度的差值；
Figure FDA0003787437380000044
为第二伸缩杆组件的当前、前一、前二控制周期的真实长度与目标长度的差值，Kp、Ti、Td为自稳定桅杆PID控制的比例、积分、微分参数，Kp、Ti、Td为固定值；T为自稳定桅杆的控制周期。
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