CN202421803U - 一种装有自动控制系统的智能帆车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种装有自动控制系统的智能帆车。包括直流减速电机及检测部分、风向传感器、钢缆、风速传感器、帆位检测传感器等。我们的智能帆车是对之前的成果进行了改进和升华，保留了灵活性和有效利用风能的特点，新加入了舵的控制机构，使一些机械和电路结构更加合理实用，提高了系统的可靠性，控制精度和抗干扰能力，尽量降低成本，对之后的智能帆船的研究也具有很好的指导作用。

Description

一种装有自动控制系统的智能帆车

技术领域

本发明涉及帆车领域，具体涉及一种装有自动控制系统的智能帆车。

背景技术

化石能源的日益减少和环境问题的日益严峻促使了新型智能帆船的诞生，但此类帆船存在着一定的问题。首先是系统可靠性差，刚性连接的摩擦较大，减少了系统的使用寿命，其次是控制精度不高，系统的反馈机构较少，无法准确拉帆。最后是抗干扰能力差，当系统受到外界扰动的时候容易产生误操作。由于已有智能帆船存在着上述问题，故有待改善。

目前已有的帆车存在以下两点主要问题：1、可靠性差。已有的旋转桅杆式帆船由于桅杆没有和船体固定在一起，所以这种不可靠的结构对船体的可靠性造成了不利影响。帆和桅杆固定在一起，帆的动作靠齿轮传动完成，这种刚性连接无法有效的承受风的冲击力，对系统的可靠性也有很大的影响。

2、控制精度低抗干扰能力差。采用步进电机进行开环控制，可靠性差，控制精度低。同时由于没有帆角反馈信号，外界扰动对帆角造成的改变，控制系统无法识别，从而不能做出反应，使系统缺乏抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性高、控制精度高抗干扰能力强的智能帆车。

本实用新型针对之前系统存在可靠性差的问题，我们采用缆线拉帆的方法代替旋转桅杆的方法。即采用紧固件以多层锁紧的方式将桅杆和船体固定在一起，这样可以保证桅杆和船体的连接的可靠性。帆通过轴承和连接件固定在桅杆上，通过缆绳拉帆，这种柔性连接可以有效缓冲风的冲击力，减少了对拉帆结构的机械磨损，提高了船舶的可靠性。

本实用新型针对之前系统存在控制精度低的问题，我们采用两组直流减速电机通过缆绳拉帆代替单个步进电机通过齿轮传动拉帆的动作，并且对电机的转角和帆的角度进行实时检测，可以通过精准的控制电机来控制帆的转角。

本实用新型针对之前系统存在抗干扰能力差的问题，我们采用多种传感器检测构成闭环控制系统，当帆受到外力扰动而偏移时，可以自动调整并返回既定位置，以实现最佳推力的目的。

本实用新型还具有了一些新的并且更实用结构。

a)  船体参数参考“红磨床”号进行改造设计，使结构更加合理。

b)  桅杆顶部设置智能风向风速指示仪。可以正确检测出风向，从而实现风能最大利用化；风速传感器为系统采集实时风速信息，若风速小于或大于某一程度的风速时，系统将会停止工作。

c)  加入舵机，舵机采用蜗轮蜗杆结构，有效提高传动效率，增大转矩，并具有自锁功能。用直流减速电机控制舵机转动，并且对电机转角、舵机角位置进行实时检测，实现精准控制。还有最大舵角限位开关，以保证舵角在正常工作角度内，保证舵机的可靠工作。

d)  此外帆和舵还具有手动切换的功能，以便在系统故障时应急操作。

e)  拉帆的线缆具有张力检测功能，可以检测缆线上的张力，保证缆线承受的力在合理范围内。

f)  系统的电路结构具有自检、保护、警报和显示的功能，并且采用可靠性更高的Atmega16单片机代替之前51单片机。

g)      为了便于实验数据的采集，我们制作了具有旱轮结构的帆车，可以针对采集到的数据进行实时处理，并为将来的智能帆船的研发打下了基础。

本发明所述的装有自动控制系统的智能帆车有如下有益效果：先前的风帆操作系统加入了一定的智能控制，实现了一定的功能。我们的智能帆车是对之前的成果进行了改进和升华，保留了灵活性和有效利用风能的特点，新加入了舵的控制机构，使一些机械和电路结构更加合理实用，提高了系统的可靠性，控制精度和抗干扰能力，尽量降低成本，对之后的智能帆船的研究也具有很好的指导作用。

附图说明

下面结合附图和实施案例进一步阐述本发明。

图1：船体总览线条图；

图2：主控系统原理图；

图3：帆位检测传感器线条图；

图4：风速传感器；

图5：风向传感器；

图6：黑白盘；

图7：光电检测电路；

图8：舵机的整体设计图；

图9：舵机分解图；

图10：电机控制原理图；

其中，1直流减速电机及检测部分；2舵机及检测部分；3固定桅杆缆绳；4风向传感器；5钢缆；6显示屏和控制端；7帆；8电源模块；9风速传感器；10帆位检测传感器；10-1木块；10-2滑轮；10-3横桁；10-4桅杆；10-5缆线；9-1霍尔；9-2风杯；4-1风向标；4-2转轴；4-3发光二极管；4-4光敏电阻；4-5轴承；4-6输出端口；2-1轴承；2-2普通平键；2-3蜗轮；2-4轴；2-5蜗杆；2-6轴承；2-7低速齿轮；2-8普通平键；2-9电机；2-10 高速齿轮。

具体实施方式

以下结合实施例来说明本发明所述的一种装有自动控制系统的智能帆车。

实施例1。

如图1，我们的船体为双层底结构，下层船体放置两组直流减速电机及其检测部分1，控制系统，电源模块8，舵机及其检测部分2（由蜗轮蜗杆，齿轮，电机，舵角指示，电机构成）以及连接构件。上层船体放置显示屏，控制端6（航向模拟器和风向模拟器）。船体的上方安装帆7，拉帆的机构比较灵巧，转帆的机构运用轴承，动作比较灵活。电机经过滑轮直接拉帆，两拉，两放控制帆的角度进而实现拉帆功能。

对于帆位的检测如下，如图3，在桅杆10-4上固定一木块10-1，木块10-1的前端钻一个直径为28毫米的孔，放入可连续变化的电位器，并且用螺丝扣合的方法将其锁紧。电位器的末端塞入一尼龙制作的滑轮10-2，并且用螺丝将其把紧。滑轮上固定缆线10-5，缆线10-5的另一端先通过铁环，然后固定在横桁10-3上。当电机拉动风帆转动的时候，一条缆线张紧，一条缆线松放，进而带动与之相连的滑轮转动。滑轮转动后，与之相连的电位器也转动。电位器转动后，其电阻值改变，通过检测电阻的变化，并与控制系统配合，进而判读风帆是否处于既定位置。

在桅杆顶部装有智能风向风速仪，可以正确检测出风向，从而实现风能最大利用化；风速传感器为系统采集实时风速信息，若风速小于或大于某一程度的风速时，系统将会停止工作。对于风速的测量如下，如图4，当风吹到转轴上面时就会带动转轴发生转动，小磁片固定在转轴上面就会随着转轴一起发生转动。当风速发生变化时转轴的转动速度就会发生变化。利用固定在中心轴上面的霍尔9-1就可以很容易的将风速经过处理后计算出来。

对于风向的实验如下，如图5，风向标4-1、转轴4-2和发光二极管4-3固定在一起，当外部有来风时，吹动风向标转动，进而带动将与之相连的转轴4-2和发光二极管4-3转动。当发光二极管4-3转动后，照射到位于底座上与风向一一对应的某一光敏电阻4-4，使得其阻值发生变化，通过连接信号线将这个信号送到处理器经过算法处理后，显示在液晶屏上。当风向改变的时候，发光二极管4-3的位置发生改变，照射到另一光敏电阻，使其阻值发生改变，因而能够随时反映出风向。

当风速在可使用风帆的范围时，设定航行方向。操作者按下总开关，单片机初始化系统，采集帆角信号和舵角信号。当帆处于既定位置时，则不调整，当帆偏离既定位置时，则单片机送出动作信号，传给电机。电机接到指令后，同时光电传感器进行电机转动检测，当电机转过一定角度时即停止，这样可以精准控制电机。然后再检测帆角是否处于既定状态，如果是的话，则不进行调整，如果不是的话，则重复上面的动作。在转帆的同时，单片机发出信号给舵机，启动舵机电机开关。电机转动后，带动蜗杆转动，进而带动蜗轮转动，来控制舵的方向。舵机同样设有检测部分，通舵角检测电路检测舵机是否按要求转到正确位置。通过控制舵的方向，配合帆的方向，从而使船舶按照既定的航向航行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 一种装有自动控制系统的智能帆车，其特征在于：包括直流减速电机及检测部分（1）、风向传感器（4）、钢缆（5）、风速传感器（9）、帆位检测传感器（10）；采用紧固件以多层锁紧的方式将桅杆和船体固定在一起；帆通过轴承和连接件固定在桅杆上；采用两组直流减速电机通过缆绳拉帆代替单个步进电机通过齿轮传动拉帆的动作；采用多种传感器检测构成闭环控制系统；桅杆顶部设置风速传感器（9），风速传感器为系统采集实时风速信息，若风速小于或大于某一程度的风速时，系统将会停止工作。

2. 根据权利要求1所述的智能帆车，其特征在于：加入舵机及检测部分（2），舵机采用蜗轮蜗杆结构，用直流减速电机控制舵机转动，并且对电机转角、舵机角位置进行实时检测，实现精准控制；还有最大舵角限位开关，以保证舵角在正常工作角度内，保证舵机的可靠工作。

3. 根据权利要求1所述的智能帆车，其特征在于：帆和舵还具有手动切换的功能，以便在系统故障时应急操作。

4. 根据权利要求1所述的智能帆车，其特征在于：拉帆的钢缆具有张力检测功能，可以检测缆线上的张力，保证缆线承受的力在合理范围内。

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