本發(fā)明屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種船艇偏航角閉環(huán)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、船艇常需要配備專用的控制系統(tǒng)來(lái)控制船身在水面上的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使船艇運(yùn)動(dòng)軌跡得到調(diào)整，使船艇航行路線得到校正。

2、由于船艇水平姿態(tài)(也稱偏航角)受環(huán)境風(fēng)、流、涌、浪影響較大，實(shí)際使用場(chǎng)景復(fù)雜多樣、變化莫測(cè)、環(huán)境險(xiǎn)惡，當(dāng)船艇需要在危險(xiǎn)水域拋錨作業(yè)、碼頭靠泊、特殊作業(yè)等場(chǎng)景下難以準(zhǔn)確控制船艇水平姿態(tài)，不便于根據(jù)復(fù)雜多樣、變化莫測(cè)、環(huán)境險(xiǎn)惡的場(chǎng)景對(duì)船艇偏航角做出精準(zhǔn)調(diào)控，容易造成船艇與暗礁、障礙物、碼頭等發(fā)生碰撞后造成財(cái)產(chǎn)損失損壞甚至人員傷亡，穩(wěn)定性和安全性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，解決了現(xiàn)有的船艇偏航角閉環(huán)控制系統(tǒng)存在操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差和安全性差的問(wèn)題。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種船艇偏航角閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括機(jī)殼和槳葉連桿；

3、所述槳葉連桿上端從上往下依次套入安裝有推力方向標(biāo)、深度調(diào)節(jié)環(huán)、旋轉(zhuǎn)卡槽座、從動(dòng)齒輪、軸套以及支撐座，所述機(jī)殼在船艇上任意無(wú)磁場(chǎng)干擾處安裝有偏航角傳感器；

4、控制系統(tǒng)工作流程如下：

5、步驟1：用戶通過(guò)遙控器向控制器發(fā)送目標(biāo)偏航角a＝135°；

6、步驟2：控制器首先進(jìn)行推力方向閉環(huán)控制，確保推力方向正確，如圖3-7所示，控制器讀取偏航角檢測(cè)單元輸出的當(dāng)前偏航角b＝90°，所以船艇需要順時(shí)針(cw)旋轉(zhuǎn)45°才能達(dá)到偏航角控制目標(biāo)。由于船艇的旋轉(zhuǎn)方向與推力方向相反，此時(shí)所需推力方向?yàn)槟鏁r(shí)針(ccw)方向；如果當(dāng)前偏航角為b＝150°，那么船艇需要逆時(shí)針(ccw)旋轉(zhuǎn)15°才能達(dá)到偏航角控制目標(biāo)，由于船艇的旋轉(zhuǎn)方向與推力方向相反，此時(shí)所需推力方向應(yīng)為順時(shí)針(cw)方向；

7、步驟3：控制器讀取轉(zhuǎn)向單元中的推力方向檢測(cè)裝置反饋的當(dāng)前推力方向，如果當(dāng)前推力方向與所需推力方向一致則啟動(dòng)側(cè)推電機(jī)的推力控制，否則會(huì)先控制側(cè)推電機(jī)停機(jī)，然后控制轉(zhuǎn)向單元轉(zhuǎn)向，直到當(dāng)前推力方向與所需推力方向一致；

8、步驟4：當(dāng)所需推力方向與當(dāng)前推力方向一致后，控制器開(kāi)始進(jìn)行側(cè)推電機(jī)推力控制：控制器根據(jù)目標(biāo)偏航角、當(dāng)前偏航角，結(jié)合閉環(huán)控制算法計(jì)算所需推力百分比，然后將推力百分比換算為側(cè)推驅(qū)動(dòng)器的側(cè)推出力指令；

9、步驟5：側(cè)推單元中的側(cè)推電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到出力指令后，將出力指令進(jìn)行放大形成側(cè)推電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流；

10、步驟6：側(cè)推電機(jī)在驅(qū)動(dòng)電流的作用下，形成電機(jī)主軸扭矩從而帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)形成側(cè)推力；

11、步驟7：船艇在側(cè)推力的作用下開(kāi)始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，偏航角檢測(cè)單元輸出的當(dāng)前偏航角b開(kāi)始接近目標(biāo)偏航角a?？刂屏鞒檀藭r(shí)返回到步驟2；

12、控制方法總體流程如下：

13、步驟1：控制器接收目標(biāo)偏航角、當(dāng)前偏航角信息：該步驟主要目的是收集偏航角的控制目標(biāo)和當(dāng)前偏航角信息，這兩個(gè)信息是偏航角閉環(huán)控制流程中最關(guān)鍵的兩個(gè)輸入；

14、步驟2：推力方向控制：該步驟的主要目的是在偏航角閉環(huán)控制過(guò)程中確保當(dāng)前推力方向與所需推力方向一致，確保推力方向正確，具體過(guò)程為控制器會(huì)根據(jù)目標(biāo)偏航角、當(dāng)前偏航角信息計(jì)算所需推力方向；結(jié)合推力方向檢測(cè)裝置反饋的當(dāng)前推力方向，輸出轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制指令，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向單元?jiǎng)幼?，直到?dāng)前推力方向與所需推力方向一致，最終確保推力方向正確；

15、步驟3：推力大小控制：該步驟的主要目的是在偏航角閉環(huán)控制過(guò)程中使側(cè)推單元輸出合適的推力，使偏航角達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)時(shí)間盡量短、穩(wěn)態(tài)誤差盡量小。具體過(guò)程為控制器根據(jù)目標(biāo)偏航角、當(dāng)前偏航角信息，結(jié)合閉環(huán)控制算法計(jì)算需要的推力百分比，然后將百分比換算為推力控制信號(hào)，最后將推力控制信號(hào)輸出至側(cè)推電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，側(cè)推電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將推力控制信號(hào)放大后輸出給側(cè)推電機(jī)產(chǎn)生合適的側(cè)推力；

16、步驟4：比較目標(biāo)偏航角a與當(dāng)前偏航角b，其中參數(shù)f代表機(jī)械換向偏航角閥值，其用途在于控制船體只有在偏航角誤差絕對(duì)值大于閥值的情況下才通過(guò)響應(yīng)較慢的機(jī)械換向方式改變螺旋槳推力方向，從而保證在螺旋槳正轉(zhuǎn)情況下產(chǎn)生最大推力效率，此方法在較大誤差角的場(chǎng)景下縮短誤差收斂時(shí)間；反之如果偏航角誤差絕對(duì)值小于f，則通過(guò)響應(yīng)較快的電機(jī)換相方式使螺旋槳反轉(zhuǎn)來(lái)改變推力方向，此換向方式響應(yīng)更快，但螺旋槳反轉(zhuǎn)時(shí)推力效率降低，此方法更適合在較小的偏航角誤差振蕩收斂階段的推力換向操作。

17、在本發(fā)明較佳的技術(shù)方案中，所述機(jī)殼位于旋轉(zhuǎn)卡槽座與支撐座之間，所述槳葉連桿穿插設(shè)置在機(jī)殼內(nèi)部左側(cè)，所述支撐座任意一端固定連接有固定夾。

18、在本發(fā)明較佳的技術(shù)方案中，所述機(jī)殼內(nèi)部頂端任意一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接有位于從動(dòng)齒輪一側(cè)的驅(qū)動(dòng)齒輪，所述驅(qū)動(dòng)齒輪動(dòng)力輸出端與從動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)連接，所述機(jī)殼內(nèi)部上下兩側(cè)分別安裝有主控電路和轉(zhuǎn)向電機(jī)，所述轉(zhuǎn)向電機(jī)位于驅(qū)動(dòng)齒輪下方，所述驅(qū)動(dòng)齒輪圓心與轉(zhuǎn)向電機(jī)通過(guò)法蘭盤傳動(dòng)連接，所述推力方向標(biāo)和偏航角傳感器與主控電路信號(hào)連接，所述主控電路通過(guò)導(dǎo)線連接有蓄電池。

19、在本發(fā)明較佳的技術(shù)方案中，所述從動(dòng)齒輪圓心與槳葉連桿外壁通過(guò)鍵銷可拆卸連接，所述驅(qū)動(dòng)齒輪下端設(shè)置有活動(dòng)連接在機(jī)殼內(nèi)壁任意一側(cè)的限位擋板，所述限位擋板頭尾兩端均安裝有微動(dòng)開(kāi)關(guān)。

20、在本發(fā)明較佳的技術(shù)方案中，所述旋轉(zhuǎn)卡槽座內(nèi)壁與槳葉連桿外壁之間上下兩側(cè)分別安裝有第一骨架油封和第二骨架油封，所述支撐座內(nèi)壁與槳葉連桿外壁之間上下兩側(cè)分別安裝有軸承和第三骨架油封。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的有益效果如下：

22、1.對(duì)偏航角調(diào)整和鎖定的過(guò)程實(shí)現(xiàn)無(wú)人工干預(yù)；

23、2.對(duì)偏航角度鎖定的時(shí)間更短，典型場(chǎng)景耗時(shí)分別與傳統(tǒng)的半自動(dòng)方案和人工方案相比較，是半自動(dòng)方案的約1/4，是人工方案的約1/40；

24、3.在典型場(chǎng)景下的偏航角鎖定精度分別與傳統(tǒng)的半自動(dòng)方案和人工方案相比較，是半自動(dòng)方案的2倍，是人工方案的4倍；

25、4.整體控制系統(tǒng)對(duì)船艇偏航角度閉環(huán)控制的方式靈活，能夠根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景復(fù)雜多樣、變化莫測(cè)、環(huán)境險(xiǎn)惡情況下對(duì)船艇偏航角度精準(zhǔn)調(diào)控，對(duì)船艇航行途中的危險(xiǎn)因素排查效率高、準(zhǔn)確性高，提高了船艇航行安全性；

26、5.精準(zhǔn)偏航控制：船艇借助閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)接收目標(biāo)偏航角，并結(jié)合當(dāng)前偏航角持續(xù)調(diào)整船艇航行姿態(tài)，不管是面對(duì)目標(biāo)偏航角a＝135°這類設(shè)定，還是復(fù)雜多變的實(shí)際航行場(chǎng)景，系統(tǒng)都能通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂屏鞒蹋尨Ь珳?zhǔn)趨近目標(biāo)偏航角，極大提升了船艇航行方向的精準(zhǔn)度；

27、6.推力方向智能校正：系統(tǒng)設(shè)有推力方向閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)比目標(biāo)偏航角與當(dāng)前偏航角，智能計(jì)算所需推力方向，并結(jié)合推力方向檢測(cè)裝置反饋，及時(shí)校正推力方向，這樣可以避免因推力方向錯(cuò)誤而導(dǎo)致的航行偏差，保障船艇航行軌跡的穩(wěn)定性，減少不必要的能耗；

28、7.高效的推力大小調(diào)控：在偏航角閉環(huán)控制時(shí)，控制器利用閉環(huán)控制算法，依據(jù)目標(biāo)和當(dāng)前偏航角算出合適的推力百分比，轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的推力控制信號(hào)，這使得側(cè)推單元輸出的推力恰到好處，既能讓偏航角快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，又能最大程度降低穩(wěn)態(tài)誤差，提升船艇響應(yīng)速度與航行效率；

29、8.穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：槳葉連桿及其上套設(shè)的多個(gè)部件與機(jī)殼合理布局以維持系統(tǒng)核心部件的穩(wěn)定性，此外，像旋轉(zhuǎn)卡槽座與槳葉連桿間的第一、二骨架油封，支撐座與槳葉連桿間的軸承和第三骨架油封，減少部件摩擦與滲漏，延長(zhǎng)使用壽命，維持系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；

30、9.集成化與信號(hào)協(xié)同優(yōu)勢(shì)：機(jī)殼內(nèi)部緊湊集成主控電路、轉(zhuǎn)向電機(jī)等關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)向電機(jī)與驅(qū)動(dòng)齒輪通過(guò)法蘭盤穩(wěn)定傳動(dòng)，推力方向標(biāo)、偏航角傳感器與主控電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接，配合蓄電池供電，讓整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸迅速、協(xié)同高效，優(yōu)化控制響應(yīng)時(shí)間；

31、10.安全防護(hù)與限位保障：驅(qū)動(dòng)齒輪下端設(shè)置的限位擋板及微動(dòng)開(kāi)關(guān)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，能夠有效防止部件過(guò)度運(yùn)轉(zhuǎn)，避免因機(jī)械故障引發(fā)的安全隱患，增強(qiáng)系統(tǒng)整體可靠性，為船艇航行保駕護(hù)航；

32、11.部件穩(wěn)固與拓展便利：支撐座上的固定夾為系統(tǒng)的相關(guān)部件提供了額外的穩(wěn)固點(diǎn)，不僅強(qiáng)化結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，還為后續(xù)可能的設(shè)備拓展、改裝和預(yù)留空間提供便利條件，提升系統(tǒng)的兼容性與可升級(jí)性。