一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述无人船为双体船型，包括上甲板、与上甲板分离设置的浮体以及自适应减摇装置，所述浮体为无人船提供浮力并设置有推进装置，所述浮体为左右完全对称的2个浮体，所述上甲板上设置有倾角传感器、加速度计与陀螺仪，用于获得上甲板的转动角度、角加速度预测和趋势，并将其实时传送给控制系统，自适应减摇装置包括悬挂系统和平衡控制机构，悬挂系统不仅用于连接所述上甲板和浮体；同时通过减震器、活塞杆以及第一万向铰的连接结构能够自由转动、实现上甲板的平稳。本发明专利技术的有益效果为：能够有效减少无人船航行时的不稳定性和静止时的摇摆，提高无人船在复杂海况下的航行安全性与作业稳定性。

A Seakeeping Unmanned Vehicle with Surface Adaptive Anti-rolling Device

The invention discloses a seakeeping unmanned ship with an adaptive anti-rolling device on water surface. The unmanned ship is a catamaran type, including an upper deck, a floating body separated from the upper deck and an adaptive anti-rolling device. The floating body provides buoyancy for the unmanned ship and is equipped with a propulsion device. The floating body is two completely symmetrical floating bodies, and the upper deck is equipped with an inclination sensor. The accelerometer and gyroscope are used to obtain the rotation angle and angular acceleration prediction and trend of the upper deck and transmit them to the control system in real time. The adaptive anti-rolling device includes suspension system and balance control mechanism. The suspension system is not only used to connect the upper deck and the floating body, but also can rotate freely and realistically through the connecting structure of the shock absorber, piston rod and the first universal hinge. The deck is now smooth. The beneficial effect of the present invention is that it can effectively reduce the instability of unmanned ship during navigation and the sway at rest, and improve the navigation safety and operation stability of unmanned ship under complex sea conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船
本专利技术涉及一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，属于海洋无人系统

技术介绍
无人船作为一种新型海洋观测平台，具有体量小、速度快、吃水浅的优势，可进入传统海洋调查船所不能及的特殊水域，在近海环境调查、管线巡检等领域已有广泛的应用。无人船在海洋环境航行时，由于受到海上波浪的影响，不可避免地产生摇荡运动，包括横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡(或升沉)六个自由度的运动，其中横摇、纵摇、升沉由于幅值变化大，对船舶影响最大，影响无人船航行安全与正常作业。传统船舶减摇装置有舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱等，但由于无人船体量小，较小的波浪就会引起船体的剧烈摇荡；同时无人船载重有限，无法安装大型减摇设备，因而上述手段难以满足无人船减摇需求。目前，针对无人船出现一些减摇装置，但存在缺陷：专利CN108298031A提出了一种利用Y字形悬架的减摇装置，可随波浪发生相应转动实现减摇，但被动减摇装置无法做到对船舶姿态的控制，海况恶劣时减摇效果差；专利CN107323613A提出一种无人船探测设备的减摇装置，利用伸缩杆能够实现主动减摇，但仅在纵摇方向上有效，同时该装置载重有限，只适用于单一探测设备，未实现整船减摇。因此，需要一种针对无人船的具备主动控制和多自由度减摇的减摇方案及无人船。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，针对现有船舶减摇技术手段无法适用小体量船舶、减摇效果差、应用范围小的缺陷，采用自适应减摇装置，结合主动与被动减摇手段，具备主动控制和多自由度减摇能力，可有效减少无人船航行时的不稳定性和静止时的摇摆，提高无人船在复杂海况下的航行安全性与作业稳定性。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述无人船为双体船型，包括上甲板、与上甲板分离设置的浮体以及自适应减摇装置，所述浮体为无人船提供浮力并设置有推进装置，所述浮体为左右完全对称的2个浮体，所述上甲板上设置有倾角传感器、加速度计与陀螺仪，用于获得上甲板的转动角度、角加速度预测和趋势，并将其实时传送给控制系统，自适应减摇装置包括悬挂系统和平衡控制机构，所述悬挂系统不仅用于连接所述上甲板和浮体；同时通过减震器、活塞杆以及第一万向铰的连接结构能够自由转动、实现上甲板的平稳；所述平衡控制机构包括球形旋转机构、所述控制系统以及用于连接平衡控制机构和浮体的支架，所述球形旋转机构绕水平旋转轴旋转，所述水平旋转轴的两端固定在支架上，且水平旋转轴的一端设置有电机，并配设有编码器，能够检测转动角度和转速，在所述控制系统的控制下对球形旋转机构的转动角度进行反向调整，所述电机与球形旋转机构通过减速器连接，所述球形旋转机构的球面上设置有用于与悬挂系统连接的球铰；所述控制系统接收上甲板上倾角传感器测出的角度θ，以及加速度计与陀螺仪测得的角加速度预测和趋势，进而判断无人船的状态，当转动角度θ小于给定倾角时时，控制系统判断无人船基本平稳，不做响应；当θ大于给定倾角时时，系统判断无人船处于不平稳状态，需要做出调整，基于PID反馈控制方法，再采用卡尔曼滤波算法对下一时刻倾角进行预测，当前倾角θ加当前角速度ω乘以时间t等于下一时刻倾角，从而控制电机驱动模块对电机做出反向调整，提前响应，实现主动减摇，减少波浪引起的船体晃动。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述悬挂系统包括前悬挂机构和后悬挂机构，所述前悬挂机构包括悬架、前减震器、活塞杆，所述悬架为呈上宽下窄的工字形整体结构，悬架的上部水平支架上设置有若干个圆筒，每一个所述圆筒内固定一个筒内弹簧，所述筒内弹簧与无人船上甲板相连接，能够实现悬架倾斜状态下上甲板的平稳，悬架上部水平支架的两端部各设置有一个前减震器，所述前减震器能够收缩拉长，并由前减震器内的弹簧和液压装置提供回复力，在伸缩后回复原始状态，2个所述前减震器的另一端分别通过一个连杆与一根活塞杆相连接，2个所述活塞杆的上端分别与悬架下部水平支架的两端部通过第一万向铰铰接，能够全方位转动，2所述活塞杆的下端分别与左、右2个浮体上的平衡控制机构通过第二万向铰铰接，能够全方位转动，所述活塞杆能够在最大行程范围内自由伸缩，实现活塞杆长度的变化。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述后悬挂机构包括不能够伸缩的工字形连杆和后减震器，所述工字形连杆一端与上甲板铰链，另一端与浮体上的平衡控制机构铰接，绕上甲板铰接点转动；所述后减震器的下端与工字形连杆中的横杆相连接，上端与上甲板铰接，限制连杆的转动范围。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述球形旋转机构有4个，分别设置在左、右两个浮体的前、后4个位置，左、右浮体前部的2个球形旋转机构的球面上设置有用于与前悬挂机构连接的第二万向铰，所述第二万向铰分别用于连接前悬挂机构中的2个活塞杆；左、右浮体后部的2个球形旋转机构的球面上设置有用于与后悬挂机构连接的球铰，所述球铰分别用于连接后悬挂机构中的2个工字形连杆。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述浮体的艏部设置为球鼻艏，能够减小船舶行驶过程中的船行波。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述上甲板还搭载有作业设备以及通讯天线，所述作业设备包括设置在通讯天线下方的绞车和与所述绞车配套使用并固定设置在上甲板上的A型架。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述推进装置设置在浮体艉部。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述悬架的材料为不锈钢合金方管。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述活塞杆为自由型气弹簧。上述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，所述圆筒有4个。本专利技术所达到的有益效果：(1)本专利技术解决了传统减摇手段无法适用小体量船舶、减摇效果差的缺陷，采用以悬挂系统为核心的减摇机械结构，重量轻、空间小，对中小尺度波浪反应迅速，减摇效果好，非常适合于中小型船舶使用；(2)本专利技术采用主被动减摇手段相结合的自适应减摇装置，将上甲板与浮体分离，通过悬挂系统提高上甲板稳定性，控制系统基于PID控制方法能够实现无人船姿态的预测，并做出提前响应，进行主动减摇，克服单一减摇手段减摇效果差、不可靠的问题，能够有效减少无人船航行时的不稳定性和静止时的摇摆；(3)本专利技术通过一套减摇装置实现了多自由度的减摇，减摇效果明显，提高了无人船在复杂海况下的航行安全性与稳定性；(4)减摇装置多采用以金属管材与液压机构，简单可靠，载重量大，极大地提升了无人船的功能性。附图说明图1为本专利技术整体结构示意图；图2为前悬挂机构与平衡控制机构6结构示意图；图3为后悬挂机构与平衡控制机构6结构示意图；图4为浮体后部的支架65和球形旋转机构61的结构示意图；图5为纵摇尺度上无人船减摇工作示意图；图6为横摇与升沉尺度上无人船减摇工作示意图；图7为控制系统PID算法框图。图中附图标记的含义：1、上甲板，2、通讯天线，3、作业设备，31、A型架，32、绞车，4、前悬挂机构，41、悬架，42、前减震器，43、筒内弹簧，44、活塞杆，45、第一万向铰，5、后悬挂机构，51、工字形连杆，52、后减震器，6、平衡控制机构，61、球形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，其特征在于：所述无人船为双体船型，包括上甲板、与上甲板分离设置的浮体以及自适应减摇装置，所述浮体为无人船提供浮力并设置有推进装置，所述浮体为左右完全对称的2个浮体，所述上甲板上设置有倾角传感器、加速度计与陀螺仪，用于获得上甲板的转动角度、角加速度预测和趋势，并将其实时传送给控制系统，自适应减摇装置包括悬挂系统和平衡控制机构，所述悬挂系统不仅用于连接所述上甲板和浮体；同时通过减震器、活塞杆以及第一万向铰的连接结构能够自由转动、实现上甲板的平稳；所述平衡控制机构包括球形旋转机构、所述控制系统以及用于连接平衡控制机构和浮体的支架，所述球形旋转机构绕水平旋转轴旋转，所述水平旋转轴的两端固定在支架上，且水平旋转轴的一端设置有电机，并配设有编码器，能够检测转动角度和转速，在所述控制系统的控制下对球形旋转机构的转动角度进行反向调整，所述电机与球形旋转机构通过减速器连接，所述球形旋转机构的球面上设置有用于与悬挂系统连接的球铰；所述控制系统接收上甲板上倾角传感器测出的角度θ，以及加速度计与陀螺仪测得的角加速度预测和趋势，进而判断无人船的状态，当转动角度θ小于给定倾角时某一值时，控制系统判断无人船基本平稳，不做响应；当θ大于给定倾角时，系统判断无人船处于不平稳状态，需要做出调整，基于PID反馈控制方法，再采用卡尔曼滤波算法对下一时刻倾角进行预测，当前倾角θ加当前角速度ω乘以时间t等于下一时刻倾角，从而控制电机驱动模块对电机做出反向调整，提前响应，实现主动减摇，减少波浪引起的船体晃动。...

【技术特征摘要】
1.一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，其特征在于：所述无人船为双体船型，包括上甲板、与上甲板分离设置的浮体以及自适应减摇装置，所述浮体为无人船提供浮力并设置有推进装置，所述浮体为左右完全对称的2个浮体，所述上甲板上设置有倾角传感器、加速度计与陀螺仪，用于获得上甲板的转动角度、角加速度预测和趋势，并将其实时传送给控制系统，自适应减摇装置包括悬挂系统和平衡控制机构，所述悬挂系统不仅用于连接所述上甲板和浮体；同时通过减震器、活塞杆以及第一万向铰的连接结构能够自由转动、实现上甲板的平稳；所述平衡控制机构包括球形旋转机构、所述控制系统以及用于连接平衡控制机构和浮体的支架，所述球形旋转机构绕水平旋转轴旋转，所述水平旋转轴的两端固定在支架上，且水平旋转轴的一端设置有电机，并配设有编码器，能够检测转动角度和转速，在所述控制系统的控制下对球形旋转机构的转动角度进行反向调整，所述电机与球形旋转机构通过减速器连接，所述球形旋转机构的球面上设置有用于与悬挂系统连接的球铰；所述控制系统接收上甲板上倾角传感器测出的角度θ，以及加速度计与陀螺仪测得的角加速度预测和趋势，进而判断无人船的状态，当转动角度θ小于给定倾角时某一值时，控制系统判断无人船基本平稳，不做响应；当θ大于给定倾角时，系统判断无人船处于不平稳状态，需要做出调整，基于PID反馈控制方法，再采用卡尔曼滤波算法对下一时刻倾角进行预测，当前倾角θ加当前角速度ω乘以时间t等于下一时刻倾角，从而控制电机驱动模块对电机做出反向调整，提前响应，实现主动减摇，减少波浪引起的船体晃动。2.根据权利要求1所述的一种带有水面自适应减摇装置的耐波无人船，其特征在于：所述悬挂系统包括前悬挂机构和后悬挂机构，所述前悬挂机构包括悬架、前减震器、活塞杆，所述悬架为呈上宽下窄的工字形整体结构，悬架的上部水平支架上设置有若干个圆筒，每一个所述圆筒内固定一个筒内弹簧，所述筒内弹簧与无人船上甲板相连接，能够实现悬架倾斜状态下上甲板的平稳，悬架上部水平支架的两端部各设置有一个前减震器，所述前减震器能够收缩拉长，并由前减震器内的弹簧和液压装置提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏飞，丁延旭，沈雅琳，程文斌，程红霞，骆佳成，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32