ITNA20100045A1 - Stabilizzatore elettronico di mezzi marini - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO

STABILIZZATORE ELETTRONICO PER MEZZI MARINI

DESCRIZIONE

Lo stabilizzatore elettronico per mezzi marini è costituito da un sistema elettronico di controllo e da due appendici stabilizzatrici che variano di dimensione in funzione del mezzo marino, li sistema elettronico è composto da una scheda e da alcuni sensori per determinare la velocità, l'angolo di trim dei propulsori, l'angolo di assetto trasversale e l'angolo di assetto longitudinale del mezzo marino.

Le funzioni dello stabilizzatore sono:

1) Ottimizzazione dinamica dell'assetto sia longitudinale che trasversale in corsa del mezzo marm 2) Evitare il pericolo dell'insorgere di fenomeni di instabilità trasversale e correggerli (tipo chine walking).

3) Evitare l'insorgere di fenomeni di instabilità longitudinale e correggerli (tipo porpoising o delfinamento).

Al fine di una migliore comprensione della descrizione del funzionamento si consiglia di vedere lo schema 1 in allegato.

Per quanto riguarda l'ottimizzazione dell'assetto longitudinale in corsa, che consente di ridurre i consum mediante la regolazione dei trim dei motori, sul mercato esiste già un sistema che è in grado di farlo, realizzato dalla Volvo Penta. Pertanto non s'intende rivendicare alcuna pretesa per questa parte de prodotto.

La vera novità, che allo stato dell'arte è ancora sconosciuta, è il controllo dei fenomeni di instabilità trasversale (tipo chine walking) e longitudinale (tipo porpoising). Il principio di funzionamento è basato sulla lettura della variazione degli angoli trasversale e longitudinale rispetto al tempo, tramite i sensori di inclinazione posti lungo l'asse longitudinale e trasversale del mezzo marino. Se il sensore registra una variazione dell'angolo trasversale troppo repentinamente, scatta un allarme che farà immediatamente abbassare le appendici stabilizzatrici, se tale fenomeno non rientra immediatamente in un range d sicurezza il sistema interverrà nuovamente riducendo e ripristinando immediatamente la potenza a motori finché il fenomeno non rientra nella normalità.

Fissata una percentuale di acceleratore e avviato il sistema, esso riceve cinque segnali in input: dal GPS la velocità V, da un inclinometro posto lungo la direzione trasversale del mezzo l'angolo di assetto trasversale φ rispetto all'orizzonte, da un altro inclinometro con asse posto lungo il piano diametrale del mezzo marino l'angolo di assetto longitudinale , dal potenziometro posto sul motore marino la posizione del pistone del/i trim P tal potenziometro posto sulle appendici stabilizzatrici (flap/intruder)) la posizione di quest'ultime Pf; sullo schema 1 si identificano come grandezze in ingresso nelle funzioni

Il sistema memorizzerà i valori di input e mediante quattro funzioni provvederà alle seguenti operazioni di output:

START 1 (vedi schema 1)

1. Se dall'inclinometro trasversale langolo di sbandamento φ è diverso da 0, il sistema, tramite la funzione Ghemetterà degli output lF, per ogni nuova posizione dei flap l'inclinometro trasversale registrerà un nuovo angolo , infine quando il valore di input sarà pari a 0 il sistema passerà allo step successivo.

2. Una volta stabilizzato il valore di φ oppure nel caso in cui in partenza il valore di φ sia pari a 0, il sistema tramite la funzione G2emetterà degli output lT, in totale il numero di output saranno tali da far assumere sei diverse posizioni ai trim del propulsore/i, per ogni nuova posizione dei trim Pn il GPS registrerà una velocità VhIn fine il sistema regolerà il trim PTin corrispondenza del valore PTiche ha fatto registrare la massima velocità. Questo ciclo verrà ripetuto ogni qual volta l'utente lo desidera oppure ogni volta che vi sarà una variazione del regime dei motori tramite il telecomando.

3. Una volta regolato/i i trim e la posizione delle appendici stabilizzatrici, il sistema rimarrà in guardia, così nel caso in cui si registri una variazione di uno dei due parametri Ί9 0 V al di fuori di - un determinato range, è pronto ad intervenire con un nuovo ciclo.

Il controllo dei fenomeni di instabilità trasversale viene effettuato mediante l'inclinometro trasversale menzionato in precedenza, che leggerà l'angolo di assetto trasversale p < del mezzo marino in vari instanti di tempo. Il processore, mediante la funzione G* effettuerà un'operazione di doppia derivazione rispetto al tempo per ricavare l'accelerazione φ. Nel caso in cui l'accelerazione non dovesse superare un prefissato valore di soglia φ < k il sistema non entrerà in azione. Nel caso si dovesse verificare che l'accelerazione φ > k e inverta la direzione del suo vettore per più di due volte, il sistema entrerà in azione abbassando immediatamente e simmetricamente i flap lf; se nonostante ciò il valore dall'accelerazione non rientrasse nei limiti di guardia, il sistema interverrebbe riducendo immediatamente la percentuale d acceleratore lPper poi ripristinarlo dopo poche frazioni di secondo.

Qua norma il sistema riposiziona le appendici stabilizzatrici nella posizione d part

START 2 (vedi schema 1)

Una volta che il sistema dopo il primo avviamento effettua tulle le operazioni sopra menzionate, entra in funzione il controllo dei fenomeni di instabilità longitudinale (delfinamento o porpoising). Verrà effettuato mediante l'inclinometro posto lungo l'asse longitudinale dei mezzo marino, che leggerà l'angolo di assetto longitudinale in vari instanti di tempo. Il processore, mediante la funzione G„ , effettuerà un'operazione di doppia derivazione rispetto al tempo per ricavarsi l'accelerazione ϋ. Nel caso in cui l'accelerazione non superasse un prefissato valore di soglia ϋ < k e non invertisse la direzione d'azione per più di due volte, il sistema non entrerà in azione. Nel caso in cui si dovessero verificare le due condizioni ΰ > k e l'inversione della direzione del vettore accelerazione per più di due volte, il sistema entrerà in azione abbassando gradualmente e simmetricamente i flap lffin quando il fenomeno non si smorza. La funzione G4prima di inviare l'input ai flap rileva la loro posizione mediante il segnale PF.

PerTaTealizzazione dello stabilizzatore elettronico per mezzi marini occorre:

1. Un circuito integrato equipaggiato con un processore, vari ingressi analogici e digitali pe eseguire le operazioni delle varie funzioni implementate.

2. Un rilevatore di velocità GPS che serve per registrare le varie velocità al variare dell'angolo d trim.

3. Un ingresso analogico per la lettura del segnale del potenziometro dell'indicatore dei trim.

4. Due inclinometri per rilevare l'angolo di assetto trasversale e longitudinale del battello nei va istanti di tempo.

5. Due appendici stabilizzatrici, tipo flap o intruder, che possono variare il loro angolo di incidenz rispetto alla corrente fluida al fine di generare delle pressioni e quindi dei momenti che vann contrastare le azioni esterne.

I vantaggi dei questo sistema sono due:

1) Ottimizzazione dell'angolo di assetto longitudinale in corsa con conseguente riduzione consumi e riduzione dei fenomeni di instabilità sia trasversali che longitudinali del battello.

2) Il vantaggio principale è rappresentato dalTevjtare il ribaltamento del mezzo o il ferimento passeggeri a bordo sottoposti a violente accelerazioni trasversali e a bruschi cambiament direzione.

Per rilevare la velocità è stato utilizzato un sensore GPS per due motivi: il primo è dato dalle dimension dello strumento e dalla semplicità d'implementazione con il sistema, il secondo è dato dalla precisione d quest'ultimo che è maggiore rispetto a qualsiasi altro strumento (come pitot, anemometri, etc...).

Per la rilevazione dell'angolo dei trim dei propulsori il sistema più semplice è stato quello di utilizzar come sensore il potenziometro montato a bordo dei propulsori (per ovvi motivi, sia costruttivi, sia d affidabilità, sia di garanzia).

Per il controllo dei trim, una volta intercettati i cavi di comando delle pompe idrauliche dei trim, la scheda attraverso le porte digitali, emetterà dei segnali su questi canali al fine di regolarli.

Per la rilevazione dell'angolo di assetto trasversale ψ è stato utilizzato un inclinometro che montato nella mezzeria del mezzo marino leggerà instante per instante la posizione di quest'ultimo rispetto all'orizzontale. La scheda, confrontando il valore di ψ nei vari instanti di tempo, può ricavare velocità e accelerazioni in modo da far scattare l'allarme quando serve.

Allo stesso modo viene effettuata la rilevazione dell'angolo di assetto longitudinale i5, l'unica cosa che varia è l'asse di lettura che questa volta sarà longitudinale il funzionamento è analogo a quello descritto in precedenza.

Lo scopo alla base di questo progetto non era quello di ideare qualcosa di sconosciuto alla tecnica, ma semplicemente controllare fenomeni fisici intriseci dei mezzi marini veloci al fine di rendere più sicura ed a più basso impatto ambientale la navigazione.

Varianti dell'invenzione

Le possibili varianti dell'invenzione sono realizzabili variando i tipi di strumenti di misura delle varie grandezze fisiche prese in esame. Ad esempio, una variante potrebbe essere uno sistema simile con ui rilevatore di velocità tipo Pitot anziché GPS, questa soluzione sarebbe in grado di fornire unicamente I velocità e non la posizione, di conseguenza potrebbe essere limitativo per eventuali sviluppi futuri del sistema.

Un'altra variante potrebbe essere un dispositivo che utilizza il sensore accelerometrico disposto su di un'asse trasversale all'imbarcazione al posto del sensore di inclinazione trasversale. Una soluzione del genere potrebbe essere maggiormente limitante per sviluppi futuri del sistema ma ciò non toglie la fattibilità della cosa.

Un'altra variante potrebbe essere quella di utilizzare come appendici stabilizzatrici degli intruder o interceptor invece che i flap tradizionali. Varieranno i tempi e i modi di risposta del sistema ma non la natura.

In ogni caso l'ESB si può realizzare anche senza le appendici stabilizzatrici in quanto nel momento in cui nascesse un forza ribaltante, che potrebbe instaurare un rollio repentino ed amplificato, si potrebbe intervenire anche direttamente mediante una rapida riduzione ed un successivo incremento di potenza dei motori. Questo eviterebbe in parte e con tempi di risposta differenti il fenomeno del chine walking, ma non consentirebbe di mantenere in navigazione il mezzo marino in posizione trasversalmente orizzontale, in particolari condizioni di navigazione. Un esempio potrebbe essere il caso della navigazione con mare al mascone {+-45° rispetto all'asse longitudinale) o il caso della navigazione con il mare al giardinetto (+-135°); in tali condizioni non sarebbe possibile mantenere trasversalmente diritto il mezzo marino, con ricadute sui consumi e sull'insorgere di fenomeni di instabilità trasversali.

Pertanto si evince che è importante "come" nonitorare le varie grandezze fisiche, ma non è indispensabile monitorarle in un unico modo.

Il problema/i alla base dell'invenzione (background della invenzione)

All'inizio della ricerca la tecnica forniva unicamente uno strumento per l'ottimizzazione dinamica del trim in corsa al fine di ridurre i consumi e l'ottimizzazione dell'assetto trasversale per mantenerlo diritto rispetto all'orizzonte (vedi Volvo Penta ed altri). L'altro aspetto interessante, nascosto dietro le quinte, era il controllo del nascere dei fenomeni di instabilità trasversali indotti da un cattivo assetto di marcia longitudinale e dall'elevata velocità del mezzo o da cause esterne.

Per intenderci, all'inizio vi erano imbarcazioni molto pesanti e potenti sulle quali si poteva regolare unicamente e manualmente il regime del motore, l'angolo dei trim, l'angolo di barra del timone e l'angol di eventuali flaps o correttori di assetto. Poi la Volvo Penta realizzò un sistema che era in grado di regolar automaticamente l'assetto trasversale e longitudinale mediante alcuni stabilizzatori tipo interceptor. In seguito la Volvo realizzò un sistema in grado di regolare l'assetto longitudinale variando la posizione dei rim al fine di ottimizzare la velocità ed i consumi.

Oggi con la crescita delle potenze e delle velocità e con la riduzione dei pesi dei mezzi marini, è facile imbattersi in fenomeni di instabilità trasversale che possono causare il ferimento dei passeggeri a bordo. Per risolvere questo problema è nato l'ESB che, oltre a svolgere quella funzione già svolta dal sistema della Volvo Penta per l'ottimizzazione dell'assetto, svolge anche l'importante funzione di salvaguardia delle vite umane dall'insorgere del fenomeno di instabilità trasversale.

Con la messa a punto di tale sistema potremo ritenerci soddisfatti di aver centrato completamente l'obbiettivo.

Prima dei questa invenzione c'erano i piloti delle gare di motonautica che tenevano sotto controllo tali fenomeni al fine di far correre il più possibile i propri mezzi e di mantenerli "stabili" al limite delle proprie capacità. Tali piloti, nel momento in cui si rendevano conto che stava insorgendo un fenomeno del genere, intervenivano immediatamente sulla posizione dei flap, abbassandoli. Se tale manovra insufficiente intervenivano bruscamente sul regime dei motori, dando un impulso ad accelerare rallentare per poi riportare il regime al livello precedente; il tutto in una frazione di secondo.

Purtroppo non possiamo paragonare queste coraggiose persone ai "comandanti della domenica" ovver persone che si possono ritrovare alla prima esperienza a governare dei veri e propri bolidi del mare se sapere a cosa possono andare incontro.

Il vantaggio fondamentale è quello della sicurezza delle vite umane, altri vantaggi sono rappresen dalla riduzione dei consumi e delle emissioni e dal fatto che esso, a parità di mezzo marino e di pilo consenta di innalzare le medie di percorrenza con un livello di sicurezza superiore in quanto il pilota vie scaricato dal controllo di tali fenomeni.

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO STABIZZATORE ELETTRONICO PER MEZZI MARINI RIVENDICAZIONI 1. Si rivendica la funzione G3 (vedi schema 1 allegato), che controlla l'insorgere di fenomeni di instabilità trasversale (chine walking). Tale funzione ha come ingresso l'angolo di assetto trasversale <p del mezzo marino, rilevato da un inclinometro posto sull'asse trasversale del mezzo. La funzione G3effettua un'operazione di doppia derivazione rispetto al tempo, della grandezza in esame, al fine di ricavarsi l'accelerazione angolare φ. Il sistema entra in funzione, mediante la funzione G3quando rileva delle accelerazioni φ del mezzo marino superiori ad un certo valore soglia (φ > k ) ed un'inversione della direzione del proprio vettore per più di due volte. Il sistema risponde, in primo luogo, abbassando le appendici stabilizzatrici (flap o intruder) in modo simmetrico ovvero mantenendo uguale angolo di incidenza tra le appendici e la corrente fluida, se ciò non dovesse essere sufficiente il sistema riduce immediatamente la potenza dei motori per poi subito ripristinarla. Quando i suddetti valori di accelerazione rientrano nei valori soglia prestabiliti, il sistema ripristina la posizione iniziale delle appendici stabilizzatrici.
2. 2. Si rivendica la funzione G4(vedi schema 1 allegato), che controlla l'insorgere di fenomeni di instabilità longitudinali (purpoising). Tale funzione ha come ingresso l'angolo di assetto longitudinale del mezzo marino, rilevato da un inclinometro posto sull'asse longitudinale del mezzo. La funzione G4effettua un'operazione di doppia derivazione rispetto al tempo, della grandezza in esame, al fine di ricavarsi l'accelerazione angolare ΰ. Il sistema entra in funzione, mediante la funzione G4, quando rileva delle accelerazioni ϋ del mezzo marino superiori ad un certo valore soglia ( > k) ed un'inversione della direzione del proprio vettore per più di due volte. Il sistema interviene abbassando entrambe le appendici stabilizzatrici (flap o intruder) in modo simmetria: appendici e la corrente fluida per ii Tunzionamento delio stabilizzatore elettronico per mezzi marini. 4. Si rivendica l'utilizzo dei sensori inclino metrici, posti lungo gli assi trasversale e longitudinale del mezzo marino per determinare l'angolo di sbandamento trasversale e l'angolo di sbandamento longitudinale