一种无人船稳定控制方法及推进装置   0    0

本发明公开了一种无人船稳定控制方法及推进装置；无人船推进装置包括推进装置一、推进装置二、三向力传感器和控制器；推进装置二装配在船体尾部；推进装置一装配在船体底部。本发明通过多个三向力传感器检测船体所受沿X方向、Y方向和Z方向的冲击合力信号，控制器判断船体所受X方向和Z方向冲击合力是否超过各自方向的预设值，再根据X方向和Z方向冲击合力超过预设值的具体情况来控制推进装置二中尾部推进电机和推进装置一中的双输出轴电机以及发动机，从而通过改变螺旋桨一自转转速、螺旋桨二自转转速或调整螺旋桨一的角度来抵消船身的横摇或纵摇。本发明能有效提高无人船自动航行时的稳定性，且具有高精确、高效调节的优点。

1.一种无人船稳定控制方法，其特征在于：该方法具体如下：
步骤一：在航行过程中，船体受到来自各个方向的水浪的冲击，装配在船体四周且等高设置的多个三向力传感器接收冲击信号，并将冲击信号转化为X方向、Y方向和Z方向的力信号，再将三向力信号传输至控制器，经控制器处理后得到船体所受X方向冲击合力、Y方向冲击合力和Z方向冲击合力；
步骤二：控制器判断船体所受X方向冲击合力和Z方向冲击合力是否超过各自方向的预设值，并对船体所受X方向冲击合力和Z方向冲击合力进行分析，得到X方向冲击合力在船体上作用点位置和力臂以及Z方向冲击合力在船体上作用点位置和力臂；由于推进装置二中置于船尾，推进装置一置于船体重心与船头之间，若控制器判断出Z方向冲击合力超过预设值，则继续判断船体所受Z方向冲击合力在船体上的作用点位置在船头或船尾，若作用点处在船头与船体重心之间，则在不改变推进装置一中螺旋桨一的自转转速情况下，控制器通过船体纵摇力矩平衡公式计算获得抵消船体纵摇所需推进装置二中螺旋桨二的自转转速n2，若作用点处在船尾与船体重心之间，则在不改变螺旋桨二的自转转速情况下，控制器通过船体纵摇力矩平衡公式计算获得抵消船体纵摇所需的螺旋桨一的自转转速n1；然后，若控制器判断出X方向冲击合力超过预设值，则在保持螺旋桨一的自转转速n1和螺旋桨二的自转转速n2前提下，通过船体横摇力矩平衡公式计算获得船体抵消横摇所需推进装置一中双输出轴电机的偏转角度α；
步骤三：推进装置一中的双输出轴电机接收到来自控制器的执行信号，使得双输出轴电机偏转角度α，带动螺旋桨一偏转α的角度来改变螺旋桨一推力方向，使螺旋桨一推力对船体的力矩抵消X方向冲击合力对船体的力矩，从而抵消船体的横摇；
步骤四：当Z方向冲击合力作用点处在船头与船体重心之间时，推进装置二接收到来自控制器的执行信号，使得螺旋桨二的自转转速调节至步骤二中计算得到的n2大小，使螺旋桨二推力对船体的力矩与螺旋桨一推力对船体的力矩的差值抵消Z方向冲击合力对船体的力矩，从而抵消船体的纵摇；当Z方向冲击合力作用点处在船尾与船体重心之间时，推进装置一接收到来自控制器的执行信号，使得螺旋桨一的自转转速调节至步骤二中计算得到的n1大小，使螺旋桨二推力对船体的力矩与螺旋桨一推力对船体的力矩的差值抵消Z方向冲击合力对船体的力矩，从而抵消船体的纵摇；
步骤五：实时重复步骤一至步骤四，使得控制器对推进装置一中螺旋桨一的自转转速和偏转角度及推进装置二中螺旋桨二的自转转速进行实时调整，以抵消船身的横摇和纵摇；且当船体所受X方向和Z方向冲击合力小于预设值时，控制器控制推进装置一中螺旋桨一的自转转速和偏转角度及推进装置二的自转转速回复至初始值。

2.根据权利要求1所述的一种无人船稳定控制方法，其特征在于：所述的双输出轴电机带动螺旋桨一偏转角度α的计算过程，具体如下：
所述螺旋桨一的推力F2在X方向的分力F3、X方向冲击合力F1、F3的力臂h2和F1的力臂h1满足船体横摇力矩平衡公式，船体横摇力矩平衡公式如下：
F3*h2＝F1*h1
又根据螺旋桨推力计算公式，螺旋桨一的推力F2、液体密度ρ、螺旋桨一自转转速n1、螺旋桨一叶片直径D1以及螺旋桨一推力系数kT1满足如下关系式：
则得到如下公式：
因此，在船身受到F1的冲击时，螺旋桨一需要偏转的角度α满足如下公式：

3.根据权利要求1所述的一种无人船稳定控制方法，其特征在于：所述螺旋桨二的自转转速n2的计算过程，具体如下：
所述螺旋桨二产生的推力F5在Z方向的分力FV、Z方向冲击合力F4、螺旋桨一产生的推力F2在垂直于XZ平面的分力、FV的力臂l1、F4的力臂l2和F2的力臂l3满足船体纵摇力矩平衡公式，船体纵摇力矩平衡公式如下：
FV*l1‑F2*cisα*l3＝F4*l2       (1)
又根据螺旋桨推力计算公式，螺旋桨二的推力F5、液体密度ρ、螺旋桨二自转转速n2、螺旋桨二叶片直径D2以及螺旋桨二推力系数kT2满足如下关系式：
由于螺旋桨二的中心轴线与水平面的夹角为(90°‑β)，船尾侧面与水平面的夹角为β；
螺旋桨二的推力F5在Z方向的分力FV满足如下关系式：
则螺旋桨二自转转速n2满足如下关系式：
最终得到螺旋桨二自转转速n2的数值，且该n2数值为仅采用一个螺旋桨二时的自转转速，若螺旋桨二采用关于船体中心轴线对称的两个，则每个螺旋桨二的自转转速为0.5n2。

4.根据权利要求3所述的一种无人船稳定控制方法，其特征在于：所述螺旋桨一的自转转速n1计算过程具体如下：
所述螺旋桨一的推力F2、液体密度ρ、螺旋桨一自转转速n1、螺旋桨一叶片直径D1以及螺旋桨一推力系数kT1满足如下关系式：
结合式(1)、式(2)和式(3)，得：
其中，n2为螺旋桨二采用一个时的取值，若螺旋桨二采用关于船体中心轴线对称的两个，则n2取值为单个螺旋桨二自转转速的两倍。

5.一种无人船推进装置，包括电池组、控制器和电子调速器，其特征在于：还包括推进装置二、三向力传感器和推进装置一；一个或两个推进装置二装配在船体的尾部，当推进装置二为两个时，两个推进装置二平行布置；所述的推进装置一置于船体重心与船头之间，且位于船体底部；所述的推进装置一和推进装置二均经电子调速器与控制器电连接；多个三向力传感器均布且等高设置在船体上；所述三向力传感器的信号输出端与控制器电连接；
所述的控制器、三向力传感器、推进装置二、推进装置一和电子调速器均由电池组供电；所述的电池组和控制器均置于船体内部；
所述的推进装置一包括发动机、双输出轴电机、传动机构、连接箱、连接轴和螺旋桨一；
所述的发动机固定在发动机固定架上；所述的双输出轴电机的一个输出轴与发动机固定架固定，另一个输出轴与连接轴的一端固定；所述连接轴的另一端与连接箱固定连接；所述发动机的输出轴与传动机构的动力输入端固定连接；所述螺旋桨一固定在传动机构的动力输出端上；所述的双输出轴电机与传动箱通过连接架固定连接，且连接架固定在船体上；
所述的推进装置二包括尾部推进电机、倾斜轴和螺旋桨二；所述的倾斜轴与水平面成一夹角，并与尾部推进电机的输出轴固定；所述的尾部推进电机固定在船体上；所述的螺旋桨二固定在倾斜轴上。

6.根据权利要求5所述的一种无人船推进装置，其特征在于：所述的传动机构包括传动轴、输出轴、锥齿轮一和锥齿轮二；所述的传动轴与连接轴平行布置，并与连接箱构成转动副；所述传动轴的顶端与发动机的输出轴固定连接；所述锥齿轮二固定在传动轴的底端；所述的传动机构的输出轴与齿轮箱构成转动副；所述的锥齿轮一固定在传动机构的输出轴上，并与锥齿轮二构成齿轮副；所述的螺旋桨一固定在传动机构的输出轴上。