CN117108446A - 一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风机桨叶变桨设备技术领域，公开了一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构及调控方法。该调控方法包括：单片机将风速风向传感器采集的此时刻风机周围风场的风速大小和风向与航向的夹角，以及螺旋桨转速传感器采集转速数据，通过内部算法计算伺服电机的转动角度，根据所述转动角度调控桨叶的风机桨距角。本发明变桨机构能提高风能利用率10％以上，根据实时风速变化及时调整桨叶桨距角，适合海上风力不稳定的情况。本变桨机构结构简单，稳定性好，便于维修，重量较轻，适合排水量小、空间有限、并且需要长航时的小型风机驱动无人船使用。本发明结构简单，成本低，稳定性好，可适应于大批量生产。
Description
技术领域
本发明属于风机桨叶变桨设备技术领域，尤其涉及一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构及调控方法。
背景技术
无人艇通常需要携带大量的能源来保证其运行。然而，能源的重量和体积对于小型无人艇来说是一个巨大的限制。因此，寻找一种高效且轻量的能源系统变得至关重要。风能作为一种廉价且可再生的能源形式，被广泛研究和应用于无人艇领域。相比于传统能源，风能具有优越的能源密度，这使得其在小型无人艇上具有一定的优势。
近年来，随着科技的不断进步和应用的不断拓展，小型风力驱动无人艇的应用前景非常广阔。例如，它们可以用于水上巡逻、海洋资源勘探、水下探测、环境监测、水上救援等领域。此外，它们还可以应用于个人娱乐、水上旅游、水上运动等方面，具有非常广泛的市场需求和潜力。
然而，常规的风力驱动无人艇通常采用固定桨的形式，这种形式存在一些不足之处。首先，固定桨的转速和叶片角度无法随风速的变化而调整，这意味着其效率会随着风速的变化而发生变化。其次，固定桨在不同的风速和航行角度下，会产生不同的风倾力矩，这会导致桨叶破损，甚至无人艇发生倾覆危险。
变桨机构可以根据风速的变化自动调整叶片的桨距角，从而提高风能的利用效率。此外，变桨机构还可以降低船体所受风倾力矩，提高无人艇的稳定性和控制性能。这些优势使得变桨机构成为风力驱动无人艇的优化的关键部件之一。
小型风驱无人艇的变桨机构设计面临许多挑战，例如尺寸限制、重量限制和成本限制等。因此，对小型风驱无人艇的变桨机构进行研究具有重要的意义。
中国发明专利公开号CN112196731A，公开日2021.01.08，公开一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，该发明涉及风力发电技术领域，该装置包括：底座；垂直轴，所述垂直轴沿竖直方向设置于所述底座上；发电机，所述发电机包括定子和转子，所述转子旋转连接于所述垂直轴上，所述定子设于所述转子的外周，并转子可相对于所述定子转动；储能器，所述储能器连接于所述发电机，用于储存所述发电机产生的电能；叶片，所述叶片沿竖直方向围绕所述垂直轴的周向分布；变桨机构，连接于所述叶片和所述转子，所述变桨机构可改变所述叶片的桨距角；通过控制变桨机构，不同风速条件下，根据优化计算结果，以实现叶片桨距角的变化。
该发明技术缺陷为：(1)该技术主要针对垂直轴风机，其中用到的变桨距装置不适用于更高效率的水平轴风机的转动结构。(2)变桨结构易磨损，稳定性差，零部件损耗大。(3)无环境风感知传感器，无法进行自动变桨。
中国发明专利公开号：CN114562416A，公开日2022.05.01，公开一种风力发电系统，包括壳体和发电机，所述壳体的内壁安装有发电机，所述发电机的输出端通过轴承与壳体转动相连，所述发电机的输出端设有变桨机构，所述变桨机构包括筒体、电机、螺杆、齿条、齿轮和竖杆，所述筒体固接于发电机的输出端，所述筒体的内壁一端安装有电机，所述电机的输出端固接有螺杆。该风力发电系统，通过变桨机构中的电机连接外接电源，电机带动螺杆转动，螺杆转动时，通过滑套和滑杆的滑动相连，滑套可对齿条进行左右移动导向，进而带动齿条向右移动，齿条移动时，可带动竖杆和扇叶进行转动，进而可根据实际环境需求，对扇叶进行快速的变桨调节，较为便捷。
该发明技术缺陷为：(1)变桨系统结构复杂。(2)无环境感知单元，无法进行自动变桨。(3)无抗风自锁结构，安全性差。
中国发明专利公开号：CN114320751A，公开日：2022.04.12。公开一种自动调节的风力机，包括底板，所述底板上端面固定连接有支撑柱，所述支撑柱上端面设置有自动转向机构，所述支撑柱外表面上部转动连接有旋转筒，所述旋转筒内腔设置有自动变桨机构，所述旋转筒一端转动连接有转动头，所述转动头外表面转动连接有旋转叶片，本发明涉及风力机技术领域。该自动调节的风力机解决了现有风力机自动变桨装置结构复杂的问题。
该发明技术缺陷为：环境感知单元结构复杂，灵敏度低，智能变桨效果差，维修不便。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：常规的变桨机构适用于飞机或者海上大型发电风机，没有与海上环境进行适用设计或者体积过大，不适合小型的风机驱动无人船使用。
现有风力驱动无人船都是固定桨结构，由于海上风场一天中是变化的，固定桨风机只是对某一风速下的风能达到最大利用效率，对于变化的风，能源利用率低。
现有大多数小型风机技术没有考虑海上突变风对桨叶的破坏，进行避风保护桨叶的设计；部分技术加入制动装置，但是该方式会导致风机重量变大，影响船体稳性，易发生侧翻，同时风机桨叶此时还是会承受风载荷，严重时导致桨叶破损。
现有变桨机构传动方式复杂，易发生故障，无人船海上航行无人员维修，不利于无人船长航时使用。
现有部分变桨机构无环境感知单元不利于无人船航行时智能调节桨叶桨距角，从而提高风能利用效率或避风保护桨叶。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构及调控方法，具体涉及一种可适用于海上风机驱动无人船的小型风机桨叶变桨机构。本发明目的在于提供一种适用海上环境、体积小、重量轻、结构可靠、可长时间运行的变桨机构，作为风力驱动无人船的关键部件，提高风力直驱无人船的安全性和性能。
本发明目的还在于，首先，提高小型风驱无人艇的风能利用效率，可以延长其续航时间和航行距离。其次，本发明可以提高小型风驱无人艇的稳定性和控制性能，从而提高其适用范围和安全性能。最后，本发明可以降低小型风驱无人艇的制造成本和维护成本，从而促进其市场应用和推广。
所述技术方案如下：小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，包括：
通过风速风向传感器采集风机周围风场的风速大小以及风向与航向的夹角，通过螺旋桨转速传感器采集螺旋桨转速数据，单片机通过内部算法处理风速风向传感器和螺旋桨转速传感器采集的数据，计算得到伺服电机的转动角度，伺服电机根据所述转动角度调控桨叶的风机桨距角。
进一步，所述单片机通过内部算法处理风速风向传感器和螺旋桨转速传感器采集的数据包括：
计算不同风速下需要的桨叶最佳桨距角θ，根据现有桨距角计算桨距角偏转角Δθ，再根据桨距角偏转角度Δθ与夹持件的关系，得到调整桨距角对应伺服电机的旋转度数。
进一步，所述桨叶的偏转中心与偏心轮的圆柱中心距离为l1，桨距角偏转角为Δθ，夹持件与滚珠滑座需移动距离为Δl，表达式为：
Δl＝l1×cosΔθ
根据丝杆行程长度和导程公式得到伺服电机转动角度θ′。
进一步，丝杆行程长度和导程公式为：
式中，θ′是转动角度，ls是行程长度，Ph是丝杆导程；
联立Δl＝l1×cosΔθ，得到：
进一步，转动角度θ′在变桨过程中克服桨叶旋转时受到的最大变桨阻力F，丝杆、滚珠滑座的参数选取包括：
滚珠滑座及附件的质量m1，丝杆质量m2，行程长度ls，最大速度Vmax，加速时间t1，减速时间t2，每分钟往返次数n，丝杆导程Ph，无效行程0.15mm，定位精度为±0.3mm/1000mm，反复定位精度为±0.1mm；
加速度a为：
丝杆的最大轴向力为：
F＝(m1+m2)×g×μ+(m1+m2)×a+fw
式中，F为丝杆的最大轴向力，g是重力加速度，μ是摩擦系数，a是加速度，fw是风机桨叶的变桨阻力。
本发明的另一目的在于提供一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构，包括：桨毂、桨毂外壳、传动外轴、传动变速箱外壳、桨叶，实施所述小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，该变桨机构还包括：桨毂内部的夹持板，传动内轴，推力轴承，滚珠滑座，丝杆，伺服电机，单片机，风速风向传感器，转速传感器；
桨叶根部设有偏心轮，偏心轮连接一个圆柱；
桨毂与桨叶根部通过周向轴承连接，固定桨叶位置；
桨距角桨毂为传动外轴与桨叶的连接部件，桨叶通过带动桨毂旋转从而带动旋转外轴旋转；
桨叶根部的偏心轮圆柱插入桨毂内的夹持板，夹持板通过螺丝与传动内轴连接；桨叶的旋转力矩传给桨毂，带动夹持板旋转外轴旋转，夹持板再带动传动外轴旋转；
传动内轴穿过传动变速箱外壳末端与推力轴承相连；
推力轴承与滚珠滑座和传动内轴相连接；
滚珠滑座穿过丝杆，随丝杆的转动而平动；
丝杆通过基座轴向固定，然后与伺服电机相连，通过伺服电机控制丝杆转动；
单片机、风速风向传感器和转速传感器组成控制系统，风速风向传感器每秒采集一次风机周围风场的风速大小和风向与航向的夹角，同时螺旋桨转速传感器采集转速数据，单片机将风速值、夹角值、转速值作为数据输入，通过内部算法计算后输出此时伺服电机转动角度位置，实现风机桨距角调节；
所述转速传感器用于测量传动外轴与传动内轴转速，为单片机提供转速反馈数据，修正变桨机构偏转角度。
进一步，所述桨叶根据现有风洞试验翼型特性选择风机叶片剖面翼型形状，根据无人船稳性限制和功率需求确定叶片直径大小；确定弦长、扭转角参数，通过叶素动量理论计算风机功率、转矩、推力，迭代计算，得到目标弦长、扭转角参数。
进一步，所述确定弦长、扭转角参数包括：
根据桨叶直径，来流风速，桨叶转速，海上大风机的模型，构建相同扭转角，弦长、叶片直径参数缩尺的新叶片模型；转矩、推力、功率等性能不符情况下，分别调整扭转角、截面翼型，迭代计算，得到目标扭转角、翼型参数，表达式为：
P＝9500×n×Qw
式中，Fw为风机推力，Qw为风机转矩，P为功率，R为叶轮半径，r为叶素位置半径，ρ为空气密度，v0为风速，α为轴向诱导系数，α′为周向诱导系数，n为转速，dr为叶片分段的径向长度。
进一步，桨毂材质采用不锈钢，传动外轴和传动内轴采用钛合金；滚珠滑座和丝杆材质采用沉淀硬化不锈钢。
进一步，所述桨叶为垂直轴风机；
桨毂形状为六边形或多边形状；
所述传动变速箱外壳内的斜齿锥齿轮，用于连接传动外轴和垂直轴，更改传动外轴传动方向；斜齿锥齿轮形状或采用垂直传动的直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮和螺旋齿轮中的一种。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明针对效率更高的水平轴风机进行设计，设计变桨结构简单，可靠性强，同时加入环境感知单元，可通过控制策略进行自动变桨。本发明的变桨装置结构简单，可靠性强，同时加入环境感知单元，可通过控制策略进行自动变桨，在控制策略中加入变桨避风和自锁方案，解决突变大风造成桨叶破坏的问题。本发明环境感知单元通过传感器进行数据量化，结合控制方案实现可控的智能变桨，并且结构简单，稳定性强。
相比其他不变桨的风机无人船，本变桨机构能提高风能利用率10％以上，根据实时风速变化及时调整桨叶桨距角，适合海上风力不稳定的情况。本变桨机构结构简单，稳定性好，便于维修，重量较轻，适合排水量小、空间有限、并且需要长航时的小型风机驱动无人船使用。本发明结构简单，成本低，稳定性好，可适应于大批量生产。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的小型风力直驱无人艇用的变桨机构示意图；
图2是本发明实施例提供的小型风力直驱无人艇用的变桨机构爆炸图；
图3是本发明实施例提供的小型风力直驱无人艇用的变桨机构控制原理图；
图4是本发明实施例提供的是传动内外轴与传动变速箱外壳相连的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的是滚珠滑块和丝杆的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的滚珠滑块、丝杆和基座的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的调整桨距角对应伺服电机的旋转度数原理图；
图中：1、桨毂；2、桨毂外壳；3、转动外轴；4、转动内轴；5、传动变速箱外壳；6、推力轴承；7、斜齿锥齿轮；8、基座；9、丝杆；10、滚珠滑座；11、滚珠；12、伺服电机；13、偏心轮；14、夹持板；15、桨叶。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例1，本发明实施例提供的小型风力直驱无人艇用的变桨机构目的在于通过简单可靠的变桨机构实现水平式风机桨叶桨距角的偏转，使风机可以根据风速和航行角度的变化自动调整叶片的角度和转速，从而提高风能的利用效率。此外，所设计的变桨机构调节时考虑风机风载推力，还可以降低航行时的倾覆力矩，提高无人艇的稳定性和控制性能。同时考虑海面风速过大导致的风机飞车现象，该变桨机构设计可调整桨叶桨距角为0°来保护桨叶。
如图1-图6所示，本发明实施例提供的小型风力直驱无人艇用的变桨机构，包括：
桨叶15，风能获取机构；
桨毂1为传动外轴3与桨叶15的连接部件，桨叶15通过带动桨毂1旋转从而带动旋转外轴3旋转；
桨叶根部的偏心轮13圆柱插入桨毂1内的夹持板14，夹持板14通过螺丝与传动内轴4连接；桨叶15的旋转力矩传给桨毂1，带动夹持板14旋转外轴3旋转，夹持板14再带动传动外轴3旋转；
桨毂外壳2，固定在桨毂1上，并贯穿有传动内轴4；
传动内轴4，主要作用是通过后部的推拉带动桨叶15偏转改变桨距角；
传动外轴3，连接桨毂1和斜齿锥齿轮7实现旋转力的传递；
推力轴承6，连接在传动内轴4上，用于固定传动内轴4的轴向移动；
传动变速箱外壳5，保护内部传动齿轮；
滚珠滑座10，将伺服电机12的转动改为旋转内轴4平动的结构；
丝杆9，连接伺服电机12和滚珠滑座10，传递伺服电机12的转动；
基座8，固定丝杆9、滚珠滑座10和伺服电机12的位置；
斜齿锥齿轮7，连接传动外轴3和垂直轴，更改传动外轴3和垂直轴传动方向；
伺服电机12，受单片机控制进行限位转动；
单片机，接收风速风向传感器数据，通过内部算法控制伺服电机的转动；
风速风向传感器，测量环境风场的数据，为变桨机构的调节提供数据输入。
桨毂1内部的夹持板14，传动内轴4，轴承6，滚珠滑座10，丝杆9，伺服电机12，单片机，风速风向传感器，转速传感器组成变桨机构；
其中，桨叶15根部设偏心轮13，偏心轮13连接一个圆柱；
桨毂1与桨叶15根部通过周向轴承连接，固定桨叶位置；桨叶根部的偏心轮13圆柱插入桨毂1内的夹持板14，由夹持板14平动带动桨叶15旋转；夹持板14通过螺栓螺母固定；夹持板14通过螺丝顶住传动内轴4实现夹持板14与传动内轴4的连接；桨毂外壳2通过螺丝顶住传动外轴3实现桨毂1与传动外轴3的连接；
传动内轴4套在传动外轴3内，中间加入润滑剂进行润滑；
传动外轴3与传动变速箱外壳5内的斜齿锥齿轮7连接，将风机捕获的能量传递给无人艇内部；
传动内轴4穿过传动变速箱外壳5末端与推力轴承6相连；
推力轴承6与滚珠滑座10和传动内轴4相连接；
滚珠滑座10穿过丝杆9，随丝杆9的转动而平动；
丝杆9通过基座8轴向固定，然后与伺服电机12相连，通过伺服电机12控制其转动；
在本发明实施例中，单片机、风速风向传感器和转速传感器组成控制系统，风速风向传感器每秒采集一次风机周围风场的风速大小和风向与航向的夹角，同时螺旋桨转速传感器采集转速数据，单片机将风速值、夹角值、转速值作为数据输入，通过内部算法计算后输出此时伺服电机转动角度位置，从而实现风机桨距角调节。
所述转速传感器用于测量传动外轴3与传动内轴4转速，为单片机提供转速反馈数据，修正变桨机构偏转角度。
其中，内部算法基于风机气动特性的风载荷曲线、船体航行阻力特性的静水阻力曲线、螺旋桨水动力特性的敞水性征曲线，通过仿真模拟的计算数据得到不同风速和夹角下，无人船达到设计航速的伺服电机转动值。
在本发明实施例中，综合气动效率和稳定性，所述桨叶15叶数设为3叶，采用S809翼型，具体叶片分段属性见下表1。
表1计算模型风机的叶片分段属性
| 展长位置(m) | 弦长(m) | 扭转角(deg) | 翼型(-) |
| 0 | 0.031 | 0 | Cylinder |
| 0.033 | 0.030 | 0 | Cylinder |
| 0.066 | 0.040 | 3.66 | S809 |
| 0.099 | 0.075 | 12.78 | S809 |
| 0.131 | 0.104 | 17.89 | S809 |
| 0.164 | 0.101 | 13.33 | S809 |
| 0.197 | 0.097 | 10.19 | S809 |
| 0.230 | 0.094 | 7.24 | S809 |
| 0.263 | 0.906 | 5.52 | S809 |
| 0.624 | 0.054 | -1.49 | S809 |
| 0.650 | 0.050 | -1.82 | S809 |
所述桨叶根据现有风洞试验翼型特性选择风机叶片剖面翼型形状；根据无人船稳性限制和功率需求进行综合考量，确定叶片直径大小；弦长、扭转角等参考5MW海上大风机构型缩尺，通过叶素动量理论计算风机功率、转矩、推力是否符合要求，不符情况下调整上述参数，迭代计算，得到目标弦长、扭转角等参数。
所述得到目标弦长、扭转角参数包括：如无人船长5m，稳性计算可承载风倾力25N，螺旋桨在1050rpm转速下推力满足推进要求，海上一般风速为9m/s。可先假设风机桨叶直径1.8m，来流风速9m/s，转速1050rpm，参考5MW海上大风机的模型，构建相同扭转角，弦长、叶片直径等参数缩尺的新叶片模型。通过以下公式计算风机推力Fw、风机转矩Qw和功率P：
P＝9500×n×Qw
式中，Fw为风机推力，Qw为风机转矩，P为功率，R为叶轮半径，r为叶素位置半径，ρ为空气密度，v0为风速，α为轴向诱导系数，α′为周向诱导系数，n为转速，dr为叶片分段的径向长度。
不符情况下分别调整扭转角、截面翼型，迭代计算，得到目标扭转角、翼型等参数。
在本发明实施例中，桨毂1材质采用不锈钢，桨毂外壳2和内部的夹持板14为正六边形，同时桨毂外壳2的一面与桨毂1的主壳体分开，通过螺栓固定；
在本发明实施例中，传动外轴3和传动内轴4采用钛合金，降低重量同时保证结构强度和稳定性，传动外轴3外径10mm，厚度2mm，传动内轴4为实心轴，直径4mm；
在本发明实施例中，传动变速箱外壳5内部齿轮选用斜齿锥齿轮7，斜齿锥齿轮7直径为40mm，传动变速箱外壳5设密封装置，内部加入润滑油；
所述斜齿锥齿轮7形状或采用垂直传动的直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮和螺旋齿轮中的一种。
在本发明实施例中，滚珠滑座10和丝杆9材质采用沉淀硬化不锈钢，降低成本，并且保证长时间运行的可靠性。
在本发明实施例中，根据轴向力和转速选择丝杆轴直径和导程，参考滚珠丝杆的参数表，可以找到满足条件的型号为SFU2005-4。该型号的丝杆轴直径为20mm，导程为5mm。
在本发明实施例中，可以根据定位精度和反复定位精度选择螺母型号和精度等级，参考滚珠丝杆的参数表，可以找到满足条件的滚珠滑座螺母型号为DFU2005-4-C7-P3。该型号的导程误差为±50μm/300mm，在1000mm范围内不超过±167μm；反复定位精度为±4μm；轴向间隙小于或等于10μm。
上述实施例表明：本发明变桨机构设计针对海面环境和船舶航行环境影响，以及密封和长时间运行的需要，为海上风机驱动无人船提供技术保障。
变桨机构控制方法分析了船体稳性和风阻影响，控制策略方法具有创新性。
小型变桨机构，结构简单，重量轻，便于维修，方便大批量生产与长时间运行。
本发明为海上中小型无人装备提供安全的风力应用与能源补充，2021年全球无人船艇市场规模约为13亿美元，预计本发明可助力无人船市场增产1亿元。
本发明填补了国内海上无人平台风机安全高效利用的技术空白，实现了小型风机无人船风机自控制运行技术。
通过该技术，可实现风机在无人装备能源补充方面更大的应用，提高现有无人装备风能补充技术的安全性和高效性。
实施例2，根据上述实施例1记载的小型风力直驱无人艇用的变桨机构，作为另一种可能的实施方式，尾部滚珠丝杆式推动可改为推拉式结构；
风机桨叶数可以改变，由3叶改为2叶、4叶等；
风机桨叶可以改变，由水平轴风机改为垂直轴风机等；
桨毂形状可以改变，由六边形改为六边形或其它形状；
传动变速箱外壳齿轮形状可以改变。
实施例3，作为另一种可能的实施方式，为了实现桨距角的实时调节，本发明首次分析了动态失速、无人船稳性限制等方面因素对桨距角调节的影响。将动态数据纳入桨距角调节规律的计算中，拟合得到了叶片桨距角局部调节规律。根据该规律，设计传动机构控制策略，使叶片桨距角能够尽可能地接近拟合的桨距角调节曲线，从而实现风力机在不同风速下的变桨规律。
其中，桨毂1内部的夹持板14，传动内轴4，轴承6，滚珠滑座10，丝杆9，伺服电机12，单片机，风速风向传感器组成变桨机构；变桨机构具体实施形式如下：
风机的桨叶15旋转带动桨毂1旋转，桨毂1带动传动内轴4和传动外轴3旋转，然后通过旋转外轴3将转矩传递到无人艇内部使用；
风速变化时，风速风向传感器测得此时的风速值，传递给单片机，单片机根据内部算法判断此时伺服电机的转动量，然后控制伺服电机12进行旋转。此时伺服电机12旋转带动丝杆9旋转，丝杆9旋转引起滚珠滑座8平移，进而推动/拉动传动内轴4移动，再带动桨毂1内部的夹持板14移动，夹持板14的移动带动偏心轮13下的圆柱，从而实现桨叶15转动，改变桨距角。
实施例4，本发明实施例提供一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，包括：
风速风向传感器采集此时刻风机周围风场的风速大小和风向与航向的夹角，螺旋桨转速传感器采集螺旋桨转速数据，单片机通过内部算法处理上述两传感器的数据，计算得到伺服电机的转动角度，伺服电机根据所述角度转动从而调控桨叶15的风机桨距角。
所述内部算法计算伺服电机的转动角度包括：
计算不同风速下需要的桨叶最佳桨距角θ，根据现有桨距角计算桨距角偏转角Δθ，再根据桨距角偏转角度Δθ与夹持件的关系，得到调整桨距角对应伺服电机的旋转度数。
在本发明实施例中，根据理论计算，分析得到不同风速下需要的桨叶最佳桨距角θ，然后根据桨距角偏转角度Δθ与夹持件的关系得到调整桨距角对应伺服电机的旋转度数。如图7所示。
设带有偏心轮13的桨叶15偏转中心与偏心轮13下面的圆柱(如图2)中心距离为l1，则桨距角偏转Δθ，夹持件14与滚珠滑座8需要移动Δl，表达式为：
Δl＝l1×cosΔθ
再根据丝杆9行程长度和导程公式得到伺服电机12转动角度θ′。
丝杆9行程长度和导程公式为：
式中，θ′是转动角度，ls是行程长度，Ph是丝杆导程；
联立Δl＝l1×cosΔθ，得到：
为满足转动角度θ′在变桨过程中克服桨叶15旋转时受到的最大变桨阻力F，丝杆9、滚珠滑座8的参数选取包括：
滚珠滑座8及附件的质量m1，丝杆9质量m2，行程长度ls，最大速度Vmax，加速时间t1，减速时间t2，每分钟往返次数n，丝杆导程Ph，无效行程0.15mm，定位精度为±0.3mm/1000mm，反复定位精度为±0.1mm；
加速度a为：
丝杆的最大轴向力为：
F＝(m1+m2)×g×μ+(m1+m2)×a+fw
式中，F为丝杆的最大轴向力，g是重力加速度，μ是摩擦系数，a是加速度，fw是风机桨叶的变桨阻力。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
基于上述本发明实施例记载的技术方案，进一步的可提出以下应用例。
根据本申请的实施例，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，其特征在于，该方法包括：
通过风速风向传感器采集风机周围风场的风速大小以及风向与航向的夹角，通过螺旋桨转速传感器采集螺旋桨转速数据，单片机通过内部算法处理风速风向传感器和螺旋桨转速传感器采集的数据，计算得到伺服电机的转动角度，伺服电机根据所述转动角度调控桨叶(15)的风机桨距角。
2.根据权利要求1所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，其特征在于，所述单片机通过内部算法处理风速风向传感器和螺旋桨转速传感器采集的数据包括：
计算不同风速下需要的桨叶最佳桨距角θ，根据现有桨距角计算桨距角偏转角Δθ，再根据桨距角偏转角度Δθ与夹持件的关系，得到调整桨距角对应伺服电机的旋转度数。
3.根据权利要求2所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，其特征在于，所述桨叶(15)的偏转中心与偏心轮(13)的圆柱中心距离为l1，桨距角偏转角为Δθ，夹持件(14)与滚珠滑座(8)需移动距离为Δl，表达式为：
Δl＝l1×cosΔθ
根据丝杆(9)行程长度和导程公式得到伺服电机(12)转动角度θ′。
4.根据权利要求3所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，其特征在于，丝杆(9)行程长度和导程公式为：
式中，θ′是转动角度，ls是行程长度，Ph是丝杆导程；
联立Δl＝l1×cosΔθ，得到：
5.根据权利要求4所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，其特征在于，转动角度θ′在变桨过程中克服桨叶(15)旋转时受到的最大变桨阻力F，丝杆(9)、滚珠滑座(8)的参数选取包括：
滚珠滑座(8)及附件的质量m1，丝杆(9)质量m2，行程长度ls，最大速度Vmax，加速时间t1，减速时间t2，每分钟往返次数n，丝杆导程Ph，无效行程0.15mm，定位精度为±0.3mm/1000mm，反复定位精度为±0.1mm；
加速度a为：
丝杆的最大轴向力为：
F＝(m1+m2)×g×μ+(m1+m2)×a+fw
式中，F为丝杆的最大轴向力，g是重力加速度，μ是摩擦系数，a是加速度，fw是风机桨叶的变桨阻力。
6.一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构，包括：桨毂(1)、桨毂外壳(2)、传动外轴(3)、传动变速箱外壳(5)、桨叶(15)，其特征在于，实施权利要求1-5任意一项所述小型风力直驱无人艇用的变桨机构的调控方法，该变桨机构还包括：桨毂(1)内部的夹持板(14)，传动内轴(4)，推力轴承(6)，滚珠滑座(10)，丝杆(9)，伺服电机(12)，单片机，风速风向传感器，转速传感器；
桨叶(15)根部设有偏心轮(13)，偏心轮(13)连接一个圆柱；
桨毂(1)与桨叶(15)根部通过周向轴承连接，固定桨叶位置；
桨毂(1)为传动外轴(3)与桨叶(15)的连接部件，桨叶(15)通过带动桨毂(1)旋转从而带动旋转外轴(3)旋转；
桨叶根部的偏心轮(13)圆柱插入桨毂(1)内的夹持板(14)，夹持板(14)通过螺丝与传动内轴(4)连接；桨叶(15)的旋转力矩传给桨毂(1)，带动夹持板(14)旋转外轴(3)旋转，夹持板(14)再带动传动外轴(3)旋转；
传动内轴(4)穿过传动变速箱外壳(5)末端与推力轴承(6)相连；
推力轴承(6)与滚珠滑座(10)和传动内轴(4)相连接；
滚珠滑座(10)穿过丝杆(9)，随丝杆(9)的转动而平动；
丝杆(9)通过基座(8)轴向固定，然后与伺服电机(12)相连，通过伺服电机(12)控制丝杆(9)转动；
单片机、风速风向传感器和转速传感器组成控制系统，风速风向传感器每秒采集一次风机周围风场的风速大小和风向与航向的夹角，同时螺旋桨转速传感器采集转速数据，单片机将风速值、夹角值、转速值作为数据输入，通过内部算法计算后输出此时伺服电机转动角度位置，实现风机桨距角调节；
所述转速传感器用于测量传动外轴(3)与传动内轴(4)转速，为单片机提供转速反馈数据，修正变桨机构偏转角度。
7.根据权利要求6所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构，其特征在于，所述桨叶(15)根据现有风洞试验翼型特性选择风机叶片剖面翼型形状，根据无人船稳性限制和功率需求确定叶片直径大小；确定弦长、扭转角参数，通过叶素动量理论计算风机功率、转矩、推力，迭代计算，得到目标弦长、扭转角参数。
8.根据权利要求7所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构，其特征在于，所述确定弦长、扭转角参数包括：
根据桨叶直径，来流风速，桨叶转速，海上大风机的模型，构建相同扭转角，弦长、叶片直径参数缩尺的新叶片模型；转矩、推力、功率的性能不符情况下，分别调整扭转角、截面翼型，迭代计算，得到目标扭转角、翼型参数，表达式为：
P＝9500×n×Qw
式中，Fw为风机推力，Qw为风机转矩，P为功率，R为叶轮半径，r为叶素位置半径，ρ为空气密度，v0为风速，α为轴向诱导系数，α′为周向诱导系数，n为转速，dr为叶片分段的径向长度。
9.根据权利要求6所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构，其特征在于，桨毂(1)材质采用不锈钢，传动外轴(3)和传动内轴(4)采用钛合金；滚珠滑座(10)和丝杆(9)材质采用沉淀硬化不锈钢。
10.根据权利要求6所述的小型风力直驱无人艇用的变桨机构，其特征在于，所述桨叶(15)为垂直轴风机；
桨毂(1)形状为六边形或多边形状；
所述传动变速箱外壳(5)内的斜齿锥齿轮(7)，用于连接传动外轴(3)和垂直轴，更改传动外轴(3)传动方向；斜齿锥齿轮(7)形状或采用垂直传动的直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮和螺旋齿轮中的一种。
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|---|---|---|---|
| CN202311008367.3A CN117108446A (zh) | 2023-08-11 | 2023-08-11 | 一种小型风力直驱无人艇用的变桨机构及调控方法 |
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117554023A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 中国航空工业集团公司哈尔滨空气动力研究所 | 一种用于风洞内螺旋桨试验所需的螺旋桨自动变桨距装置 |
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2023
- 2023-08-11 CN CN202311008367.3A patent/CN117108446A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117554023A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 中国航空工业集团公司哈尔滨空气动力研究所 | 一种用于风洞内螺旋桨试验所需的螺旋桨自动变桨距装置 |
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