一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍、控制系统及控制方法与流程

[0001]
本发明涉及无人艇技术领域，尤其是涉及一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍、控制系统及控制方法。


背景技术：

[0002]
随着人类对海洋资源开发利用的不断深入，水面无人艇作为一种能够自主航行并执行各种复杂任务的水面平台，也面临着越来越复杂的海洋环境。但由于无人艇一般排水量较小，在复杂海况中航行时，会产生很强烈的横摇，降低无人艇的操纵性，不仅增加能耗，还可能会导致船载设备精度降低甚至失常，危害航行安全和工作效率。
[0003]
在船舶减摇设备中，减摇鳍是目前最有效的装置，通过操纵机构调整减摇鳍的角度，形成减摇力矩，减小横摇运动。但目前很多减摇鳍为整体结构，若减摇鳍的面积较小，则难形成较好的减摇效果，若减摇鳍面积较大，收起时又会占用太多船体空间，而无人艇内部空间十分紧张。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍、控制系统及控制方法，既降低了对无人艇内部空间的占用，又能够在尽量不影响航速的情况下，提供足够的减摇力矩。
[0005]
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]
根据本发明的一个方面，提供了一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍，包括鳍叶部分、第一动力机构、第一传动机构、鳍轴和鳍轴限位器，所述的鳍叶部分包括主鳍单元、第二动力单元、第二传动机构和副鳍；
[0007]
所述的第一动力机构通过第一传动机构与鳍轴连接，所述的鳍轴与主鳍单元连接，用于实现主鳍单元展开和缩回，同时所述的鳍轴限位器安装在第一传动机构上，用于防止主鳍单元过度伸展以及锁定工作状态；
[0008]
所述的副鳍安装在主鳍单元上，并通过第二传动机构与第二动力单元连接，当主鳍单元的抗横摇力矩不足时，用于控制副鳍伸展。
[0009]
作为优选的技术方案，所述的第一动力机构包括依次连接的第一步进电机和第一减速器，所述的第一减速器与第一传动机构连接；
[0010]
所述的第一传动机构包括蜗杆、涡轮、第一传动轴、第一斜齿轮、第二斜齿轮，所述的蜗杆与涡轮啮合，所述的涡轮与第一传动轴固连，所述的第一传动轴与第一斜齿轮固连，所述的第一斜齿轮与第二斜齿轮啮合，第二斜齿轮与鳍轴固连。
[0011]
作为优选的技术方案，所述的第一传动机构还包括传动结构外壳，所述的第一传动轴通过轴承设在传动结构外壳中心，所述的鳍轴限位器外部设有鳍轴限位器外壳，所述的传动结构外壳设在鳍轴限位器外壳内，所述的鳍轴限位器外壳设有鳍轴限位滑道，所述的鳍轴限位器设在传动结构外壳底部；
[0012]
所述的鳍轴设置于传动结构外壳上，通过传动结构外壳侧面的轴承安装，并与第二斜齿轮固连。
[0013]
作为优选的技术方案，所述的第一传动轴设有与鳍轴限位器对应的传动轴限位插孔。
[0014]
作为优选的技术方案，所述的主鳍单元包括鳍叶固定外壳、鳍叶上外壳、鳍叶下外壳和副鳍滑道，所述的鳍叶上外壳和鳍叶下外壳通过铰链与鳍叶固定外壳连接，所述的副鳍设置于鳍叶上外壳和鳍叶下外壳之间，并通过滑轮安装于副鳍滑道上；
[0015]
所述的鳍轴设在鳍轴限位滑道中，并与鳍叶固定外壳固连。
[0016]
作为优选的技术方案，所述的第二动力单元包括第二步进电机和第二减速器，所述的第二传动机构包括第二传动轴、第三斜齿轮、第四斜齿轮、滚珠螺母和滚珠丝杠，所述的第二步进电机通过第二减速器与第二传动轴连接，所述的第二传动轴通过第三斜齿轮与第四斜齿轮连接，所述的第四斜齿轮与滚珠丝杠连接，所述的滚珠螺母设在副鳍内部，并安装在滚珠丝杠上。
[0017]
作为优选的技术方案，所述的鳍轴限位器包括第一限位插栓、第二限位插栓、鳍轴限位器滑道、鳍轴限位器外框、固连在传动结构外壳底部的挡板、设置于两块挡板之间的牵引电磁铁、弹簧和限位开关，所述的挡板各通过一个弹簧与鳍轴限位器外框相连；所述鳍轴限位器外框设置于鳍轴限位器滑道之间，第一限位插栓设置在鳍轴限位器外框远离第一传动轴一侧，限位开关与传动结构外壳底部固连，设置于所述第一限位插栓一侧，第二限位插栓固连在鳍轴限位器外框靠近第一传动轴一侧。
[0018]
作为优选的技术方案，所述的鳍轴限位滑道为90
°
的鳍轴限位滑道，滑道起始点和终点为圆弧状，且在鳍轴限位器外壳与鳍轴限位滑道两个端点成180
°
的位置设置第一限位插孔和第二限位插孔。
[0019]
根据本发明的另一个方面，提供了一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍的控制系统，包括三轴陀螺仪、声学多普勒测速仪、控制单元、伺服驱动单元、电流检测电路以及可伸缩式减摇鳍：
[0020]
三轴陀螺仪，用于测量无人艇在海面的艏摇、横摇和纵摇角速度信息，并传给控制单元；
[0021]
声学多普勒测速仪，用于测量无人艇航速，并传给控制单元；
[0022]
控制单元，用于接收航速信息和三轴陀螺仪信息，进行分析和处理，对当前状态进行判断，并且向减摇鳍伺服驱动单元发送指令和控制信息；
[0023]
伺服驱动单元，用于接受控制单元传送的控制信息，并转化为伺服驱动信号，传送给可伸缩式减摇鳍；
[0024]
电流检测电路，用于实时检测步进电机电流大小，当鳍轴旋转到鳍轴限位滑道尽头时，运动受阻会导致电流增大，控制单元可通过电流检测电路确定鳍轴位置。
[0025]
根据本发明的另一个方面，提供了一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍的控制方法，包括以下步骤：
[0026]
(1)非工作状态下减摇鳍处于收拢状态，控制单元实时接收三轴陀螺仪和声学多普勒速度仪的信息，若当前横摇状态达到预设要求，控制单元即下达减摇鳍展开指令，首先给鳍轴限位器中的牵引电磁铁通电，解除减摇鳍的锁定状态，第一限位插栓脱离第二限位
孔，第二限位插栓插入传动轴限位插孔，限位开关被触发并向控制单元发送电信号，控制单元接受到电信号，确认减摇鳍已解锁，然后向伺服驱动单元下达第一步进电机工作指令，伺服驱动单元将接收到的指令信号转化为伺服驱动信号，并传输给第一步进电机；
[0027]
(2)第一步进电机旋转，通过传动结构使减摇鳍同传动结构外壳绕第一传动轴旋转90
°
，当鳍轴转动到鳍轴限位器外壳终点时，由于受到阻碍，电流检测电路监测到电流增大，控制单元收到电流检测电路反馈后，停止驱动第一步进电机，并给鳍轴限位器中的牵引电磁铁断电，使第二限位插栓脱离传动轴限位插孔，第一限位插栓插入第一限位孔，减摇鳍处于工作位置；
[0028]
(3)控制单元通过对接收到的姿态和速度信息进行分析和计算，按照预定策略控制减摇鳍转动，开始减摇作业，通过改变鳍叶转角来调节稳定力矩，当减摇鳍转角达到最大值，但产生的稳定力矩仍不足时，进入步骤(4)；
[0029]
(4)控制单元经过计算所需增加的鳍叶面积，进入伸展副鳍程序，向伺服驱动单元下达第二步进电机工作指令，伺服驱动单元将接收到的指令信号转化为伺服驱动信号，并传输给第二步进电机；
[0030]
(5)第二步进电机通过第二减速器带动第二传动轴转动，通过斜齿轮组带动滚珠丝杠转动，使副鳍沿着副鳍滑道运动至预定位置，鳍叶上外壳和鳍叶下外壳受到滑轮对副鳍滑道的推力，同时开始以铰接出为中心旋转，打开减摇鳍后部以供副鳍伸出，若稳定力矩仍不足，返回步骤(4)。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0032]
1、副鳍可按需求进行伸展和回收，在尽量减少对船内空间占用的同时，提高了减摇性能。低速航行或零速时，增大的鳍叶面积有利于减摇鳍以划桨原理减摇。当无人艇横摇较为严重，减摇鳍产生的稳定力矩不足时，副鳍也可伸展，增加鳍叶投影面积，进而增加扶正力矩，有利于快速提高减摇能力。
[0033]
2、鳍轴限位器通过一个牵引电磁铁和限位开关即可实现对传动路径的切换，实现了一台步进电机对减摇鳍展开、收拢和鳍叶转动的驱动，降低了系统复杂度，节约了无人艇内部空间。
[0034]
3、结合电流检测和限位开关，实现了对鳍轴当前位置和限位插栓状态的确定，提高了减摇鳍的可靠性。
[0035]
4、通过计算涡轮蜗杆机构和滚珠丝杠副的传动比可得出步进电机转角与减摇鳍展开角度、副鳍行程的对应关系，即能够通过控制步进电机的转速和转角来控制减摇鳍的精确展开、回收及鳍叶转动的速度和角度。
[0036]
5、减摇鳍内部结构简单可靠，副鳍沿着滑道运动，在副鳍伸展后能够与减摇鳍外壳紧贴，使减摇鳍仍可保持较好的流线外形，降低阻力。
附图说明
[0037]
图1是本发明的外部结构示意图；
[0038]
图2是本发明的部分传动结构示意图；
[0039]
图3是本发明的部分传动结构及鳍叶片示意图；
[0040]
图4是本发明的副鳍示意图；
[0041]
图5是本发明的副鳍驱动机构示意图；
[0042]
图6是本发明的鳍轴限位器外壳结构示意图；
[0043]
图7是本发明的鳍轴限位器第一种工作状态示意图；
[0044]
图8是本发明的鳍轴限位器第二种工作状态示意图；
[0045]
图9是本发明中鳍叶收回船体内状态示意图；
[0046]
图10是本发明中鳍叶伸展副鳍的状态示意图；
[0047]
图11使本发明中控制系统结构图。
[0048]
图中：1、第一步进电机；2、第一减速器；3、蜗杆；4、第一限位孔；5、鳍轴限位器外壳；6、传动结构外壳；7、鳍轴；8、鳍叶固定外壳；9、鳍叶上外壳；10、鳍轴限位滑道；11、第一限位插栓；12、第一斜齿轮；13第二斜齿轮；14、第二传动轴；15第三斜齿轮；16、第四斜齿轮；17、副鳍；18、鳍叶下外壳、19、副鳍滑道；20、第二减速器；21、第二步进电机；22、第一传动轴；23、鳍轴限位器；24、蜗轮；25、滑轮；26、滚珠螺母；27、滚珠丝杠；28、第二限位孔；29、传动轴限位插孔、30、第二限位插栓；31、鳍轴限位器滑道；32、鳍轴限位器外框；33、挡板；34、牵引电磁铁；35、弹簧；36、限位开关。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0050]
如图1-7所示，一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍，包括鳍叶部分、第一动力机构、第一传动机构、鳍轴7和鳍轴限位器23，所述的鳍叶部分包括主鳍单元、第二动力单元、第二传动机构和副鳍17；所述的第一动力机构通过第一传动机构与鳍轴7连接，所述的鳍轴7与主鳍单元连接，用于实现主鳍单元展开和缩回，同时所述的鳍轴限位器23安装在第一传动机构上，用于防止主鳍单元过度伸展以及锁定工作状态；所述的副鳍17安装在主鳍单元上，并通过第二传动机构与第二动力单元连接，当主鳍单元的抗横摇力矩不足时，用于控制副鳍17伸展。
[0051]
所述的第一动力机构包括依次连接的第一步进电机1和第一减速器2，所述的第一减速器2与第一传动机构连接；所述的第一传动机构包括蜗杆3、涡轮24、第一传动轴22、第一斜齿轮12、第二斜齿轮13，所述的蜗杆3与涡轮24啮合，所述的涡轮24与第一传动轴22固连，所述的第一传动轴22与第一斜齿轮12固连，所述的第一斜齿轮12与第二斜齿轮13啮合，第二斜齿轮13与鳍轴7固连。
[0052]
所述的第一传动机构还包括传动结构外壳6，所述的第一传动轴22通过轴承设在传动结构外壳6中心，所述的鳍轴限位器23外部设有鳍轴限位器外壳5，所述的传动结构外壳6设在鳍轴限位器外壳5内，所述的鳍轴限位器外壳5设有鳍轴限位滑道10，所述的鳍轴限位器23设在传动结构外壳6底部；所述的鳍轴7设置于传动结构外壳6上，通过传动结构外壳6侧面的轴承安装，并与第二斜齿轮13固连。所述的第一传动轴22设有与鳍轴限位器23对应的传动轴限位插孔29。
[0053]
所述的主鳍单元包括鳍叶固定外壳8、鳍叶上外壳9、鳍叶下外壳18和副鳍滑道19，
所述的鳍叶上外壳9和鳍叶下外壳18通过铰链与鳍叶固定外壳8连接，所述的副鳍17设置于鳍叶上外壳9和鳍叶下外壳18之间，并通过滑轮25安装于副鳍滑道19上；所述的鳍轴7设在鳍轴限位滑道10中，并与鳍叶固定外壳8固连。所述的鳍轴限位滑道10为90
°
的鳍轴限位滑道，滑道起始点和终点为圆弧状，且在鳍轴限位器外壳5与鳍轴限位滑道10两个端点成180
°
的位置设置第一限位插孔4和第二限位插孔28。
[0054]
所述的第二动力单元包括第二步进电机21和第二减速器20，所述的第二传动机构包括第二传动轴14、第三斜齿轮15、第四斜齿轮16、滚珠螺母26和滚珠丝杠27，所述的第二步进电机21通过第二减速器20与第二传动轴14连接，所述的第二传动轴14通过第三斜齿轮15与第四斜齿轮16连接，所述的第四斜齿轮16与滚珠丝杠27连接，所述的滚珠螺母26设在副鳍17内部，并安装在滚珠丝杠27上。
[0055]
所述的鳍轴限位器23包括第一限位插栓11、第二限位插栓30、鳍轴限位器滑道31、鳍轴限位器外框32、固连在传动结构外壳6底部的挡板33、设置于两块挡板33之间的牵引电磁铁34、弹簧35和限位开关36，所述的挡板33各通过一个弹簧35与鳍轴限位器外框32相连；所述鳍轴限位器外框32设置于鳍轴限位器滑道31之间，第一限位插栓11设置在鳍轴限位器外框32远离第一传动轴22一侧，限位开关36与传动结构外壳6底部固连，设置于所述第一限位插栓11一侧，第二限位插栓30固连在鳍轴限位器外框32靠近第一传动轴22一侧。
[0056]
本发明无人艇减摇鳍安装在无人艇两侧舭部，在无人艇靠泊和无需使用减摇鳍时，减摇鳍如图9所示状态回收于艇身内，以有效降低减摇鳍对航行阻力的影响，此时鳍轴限位器中的牵引电磁铁处于断电状态。第一限位插栓11位于第二限位孔28内，将减摇鳍固定于当前状态，限位开关处于触发状态。三轴陀螺仪测得无人艇的姿态信息和声学多普勒测速仪测得的航速信息会被实时传入控制单元进行数据分析和处理，当无人艇受到波浪影响开始明显横摇，控制单元判定船舶航行状态满足释放减摇鳍要求后，控制单元发送信号给鳍轴限位器23上电，如图8，鳍轴限位器中23的牵引电磁铁34通电，牵引电磁铁吸34引鳍轴限位器外框32使限位器向第一传动轴22方向滑动，第一限位插栓11于第二限位孔28内抽离，第二限位插栓30插入传动轴限位插孔29，此时减摇鳍处于解锁状态，第一传动轴22与传动结构外壳6固连，第一步进电机1可驱动减摇鳍伸展和回收。控制单元接收到限位开关36断开信号，确认第二限位插栓30处于指定位置后，开始驱动第一步进电机1转动，控制单元向减摇鳍伺服驱动单元发送减摇鳍控制信息，伺服驱动单元将控制信息转化为减摇鳍伺服驱动信号传输给减摇鳍驱动执行机构中的第一步进电机1。如图3，通过蜗轮24蜗杆3传动结构带动第一传动轴22和传动结构外壳6旋转90
°
至减摇鳍展开状态，如图1所示。当减摇鳍旋转至展开状态后，鳍轴7运动到鳍轴限位滑道10尽头，控制单元通过电流检测判断鳍轴7旋转至预定位置后，控制单元给鳍轴限位器23中的牵引电磁铁34断电，如图7，使第一限位插栓11在弹簧35的作用下插入第一限位孔4，限位开关36被触发，立刻向控制单元发送电信号，控制单元可确认此时减摇鳍锁定为工作状态，如图1。
[0057]
进一步的，如图11，控制单元对从三轴陀螺仪和声学多普勒测速仪接受到的横摇状态信息和航速信息进行处理、分析并将计算后的指令信息发送给减摇鳍伺服驱动单元，进行船舶横摇状态的修正。减摇鳍驱动伺服单元接收到控制单元的指令信息，将其转化为驱动伺服信号传输给第一步进电机1，第一步进电机通过第一传动轴22和斜齿轮组带动鳍轴7旋转，最终控制减摇鳍实现无人艇减摇。
[0058]
进一步的，较为恶劣的海况下，在减摇鳍进入工作状态后，若控制单元接收到的无人艇横摇数据依然较大，未能达到减摇预期效果，说明减摇鳍抗横摇力矩不足，为了得到足够的抗横摇力矩，控制单元可自主向减摇鳍伺服驱动单元下达伸展副鳍17指令。如图4、图5、图10，减摇鳍伺服驱动单元将指令转换为伺服驱动信号发送给第二步进电机21，第二步进电机旋转，通过第二减速器20带动第二传动轴14转动，通过第三斜齿轮15和第四斜齿轮16组成的斜齿轮组带动滚珠丝杠27转动，滚珠丝杠副将转动转化为直线运动。
[0059]
进一步的，由于副鳍17通过滑轮25安装与鳍叶上外壳9和鳍叶下外壳18之间，随着副鳍17的运动，鳍叶上外壳9与鳍叶下外壳18会以铰链处为旋转中心旋转，鳍叶后部开口，使副鳍17可由开口处伸展出，副鳍17运动到预定位置后，第二步进电机21停止工作，滚珠丝杠副可保证副鳍17始终处于展开状态，不会晃动。鳍叶面积的增加可以有效增加减摇鳍产生的抗横摇力矩，提高减摇能力，当第二步进电机21反转时，副鳍17可向内收回。图10为副鳍17伸展后的示意图。
[0060]
船舶以航速v行进时，每个鳍上产生的垂直于轴线和来流方向相对流速的升力为f：
[0061][0062]
ρ表示海水密度，a
f1
表示初始鳍叶面积，a
f2
表示副鳍伸展面积，c
l
表示鳍升力系数,α表示鳍轴转角，即鳍叶轴线与水平方向夹角。
[0063]
由于无人艇两侧减摇鳍为成对安装，且产生力矩方向相反，所以减摇鳍工作时产生的稳定力矩是单个减摇鳍的两倍，因此稳定力矩：
[0064]
k
f
＝2fl
f
[0065]
其中l
f
表示稳定力臂，由于副鳍伸展时会改变鳍叶流线外形，因此为了在不影响快速性的前提下提供足够的稳定力矩，设定了如下规则：
[0066]
(1)当无人艇航速v在2kn以下时，控制单元判定无人艇处于缓慢航行或静止状态，此时无人艇与海流的相对速度很低，难以产生足够的稳定力矩，此时将副鳍伸展面积a
f2
调节至最大，即副鳍全部伸出，通过控制单元控制鳍叶，以划桨原理转动鳍叶实现缓慢航行或静止状态下的减摇，由于鳍叶面积大大增加，使鳍叶能够扫过足够大的面积，使大面积的水产生高速，得到稳定力矩。
[0067]
(2)当无人艇航速v在2kn以上，设定航速v0以下时，副鳍收回，由于副鳍伸出会破坏鳍叶的流线外形，因此优先采用调节鳍轴转角α的方式调节稳定力矩，但当α达到最大设定值α0，控制单元通过接收到的横摇信息仍判定稳定力矩不足，若继续增大鳍轴转角将使减摇系统处于非线性状态，影响系统稳定性。此时鳍轴转角保持最大值不变，开始伸展副鳍，直至横摇状态达到减摇作业要求。
[0068]
(3)当无人艇航速v大于设定航速v0时，收回副鳍，使鳍轴转角与航速成平方倒数关系，即
[0069][0070]
同样，若稳定力矩不足，则伸出副鳍以增加稳定力矩，直至横摇状态达到减摇作业要求。
[0071]
为了精确控制第一步进电机，需要得到第一步进电机与减摇鳍展开角度的对应关系。根据减速器、涡轮24蜗杆3机构和斜齿轮组等结构的传动比进行推算，如图3所示。设涡轮24齿数为z1，蜗杆3头数为z2，则涡轮蜗杆机构的传动比为i1＝z1/z2,设第二减速器传动比为i2,则第一步进电机1与减摇鳍展开角度的传动比为i3＝i1·
i2。
[0072]
为了精确控制第二步进电机，需要得到第二步进电机与副鳍行程的关系，设丝杠螺距为p，第二减速器传动比为i4,则第二步进电机与副鳍行程的传动比为i5＝i4·
p。
[0073]
如图3、图5，第一步进电机1与减摇鳍展开角度和第二步进电机21与副鳍17行程的传动比作为参数存入控制单元，以便通过控制步进电机的转角精确控制减摇鳍的展开和副鳍17位置。副鳍17伸展指令下达前，控制单元通过副鳍17目标行程计算得到第二步进电机21目标转角和转速，并传输给减摇鳍伺服驱动单元，驱动单元通过控制发出的电脉冲的数量控制电机转角，通过改变电脉冲的频率控制电机转速。
[0074]
如图3、图4、图5，本发明中副鳍17通过滚珠丝杠副驱动，通过滑轮25安装于鳍叶外壳的副鳍滑道19之间。随着副鳍17伸展过程中的平动，滑轮25沿着副鳍滑道19滑动，经过设计的滑道形状可保证鳍叶上外壳9和鳍叶下外壳18缓慢展开，并在副鳍17伸展过程中始终保持外壳后缘紧贴副鳍17表面，保持减摇鳍的流体外形，降低阻力。
[0075]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。