本发明专利技术提供一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，包括电机螺旋桨推进系统、吊舱推进系统，和综合优化控制系统。与当今的各种操纵推进系统相比，本发明专利技术将传统的螺旋桨与吊舱结合起来，并基于操纵推进性能最优计算确定操纵推进系统的各项参数；搭载有基于优化的控制规则构成闭环航向航速智能控制系统，可提高船体的综合性能，使船体转向更加灵活，并且可以在复杂海况中通过该操纵推进系统来改变船舶的运动姿态和航速航向控制，提高安全性和经济性。
Intelligent combined operation and push system for twin screw pod of small waterplane catamaran
【技术实现步骤摘要】
小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统
本专利技术涉及一种船舶操推系统，尤其是一种小水线面船艇双桨吊舱组合操推系统，属于船舶工程
技术介绍
在船舶领域，船舶推进装置包括电力推进，吊舱推进，柴油机推进，喷水推进和磁流体推进。近年来，随着我国船舶行业的发展，对船舶操纵推进系统的研究成为一大热点。本专利技术着力于如何优化设计出一种既经济合理又能提高船舶性能及智能化的操纵推进系统，全面推进现代造船模式是现代造船界的热点问题。因此操纵推进系统综合需要考虑各项性能(包括航向稳定性、机动性和推进性能)的重要程度，最大程度的提高船舶的航行性能和经济性。通过智能优化算法，确定推进系统(舵机、电机功率、螺旋桨几何尺寸)等参数。上述所述的单一的推进模式在不同海况下的推进效率会受到影响。且风在海面上形成的被波浪是很不规则的，形成的波浪高低长短不齐，杂乱无章，瞬息万变，似无规律可循。目前船舶在复杂海况的推进效率较低，并且推进方式应变能力较弱。有必要对船舶的操推系统进行进一步研究，解决船舶操推系统存在的一系列问题，提高船舶操推系统的推进效率，船舶的整体性能，可靠性实用性，使其更加安全和经济效益。在电机推进模式下，船体在转弯时需靠位于船体两侧的螺旋桨差速运行完成转向，该方式灵活性能较低。然而吊舱推进就具有较好的转向性能，所以，将吊舱推进系统和电机推进系统进行组合，并用综合优化控制系统进行控制是一个船舶操纵推进系统的发展方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的问题和不足，提高船艇的操纵推进效果，实现船船艇操纵推进方式及其性能的最优化，使船船艇具有优良的保持航向和改变航向的性能，而提供一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操纵推进系统。船艇在复杂海况下可充分利用该综合优化的操纵推进系统实时调整船艇运行状态，从而使操纵推进系统更加灵活实用，提高船艇的推进和操纵等综合性能。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，包括电机螺旋桨推进系统、吊舱推进系统，和综合优化控制系统，所述综合优化控制系统包括单片机、波浪测量仪、高精度姿态测量仪、GPS和航向测量仪，所述波浪测量仪用于测量波浪参数，所述高精度姿态测量仪用于测量船艇的航行姿态参数，所述GPS用于测量船艇的航行位置，所述航向测量仪用于测量船艇的航向，所述单片机根据所述波浪测量仪、所述高精度姿态测量仪、所述GPS以及所述航向测量仪测量的数据控制所述电机螺旋桨推进系统和所述吊舱推进系统。进一步，所述电机螺旋桨推进系统包括螺旋桨一、螺旋桨二、联轴器一、联轴器二、传动轴一、传动轴二、直流无刷电机一和直流无刷电机二，所述直流无刷电机一通过所述联轴器一与所述传动轴二传动连接，所述传动轴二与所述螺旋桨二传动连接，所述直流无刷电机二通过所述联轴器二与所述传动轴一传动连接，所述传动轴一与所述螺旋桨一传动连接，所述螺旋桨一和所述螺旋桨二位于船体尾部沿船体中线对称布置。进一步，所述螺旋桨一和所述螺旋桨二的直径不超过船艇吃水深度的2/3。进一步，所述吊舱推进系统包括直流无刷电机三、传动齿轮一、传动齿轮二、传动轴三、锥齿轮一、锥齿轮二、舵机、传动轴四、螺旋桨三、锥齿轮四、锥齿轮三、推进轴、螺旋桨四、联轴器和吊舱，所述直流无刷电机三通过所述联轴器与所述传动轴三传动连接，所述传动轴三上安装有所述锥齿轮一，所述锥齿轮一与所述锥齿轮二啮合，所述锥齿轮二安装在所述传动轴四一端，所述传动轴四的另一端安装有锥齿轮三，所述锥齿轮三与所述锥齿轮四啮合，所述锥齿轮四安装在所述推进轴上，所述推进轴安装在所述吊舱内，所述推进轴的两端伸出所述吊舱外，所述推进轴的两端分别安装有所述螺旋桨三和所述螺旋桨四，所述吊舱与所述舵机传动连接，所述吊舱位于船艇首部中央位置距船首六分之一到五分之一船长。进一步，所述单片机根据所述波浪测量仪、所述高精度姿态测量仪、所述GPS以及所述航向测量仪测量的数据控制所述直流无刷电机一、所述直流无刷电机二和所述直流无刷电机三。本专利技术提供的小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，该系统不同于已有的吊舱式电力混合推进系统，能更好地分布吊舱和螺旋桨的位置以及基于操纵推进系统性能最优确定电机功率及螺旋桨的几何参数尺寸。在不同海况下合理调节吊舱转向，在船尾部螺旋桨差速转动实现转向时船首吊舱可同时转向从而优化船体的转向性能，螺旋桨，吊舱和船载传感器(波浪测量仪、高精度姿态测量仪、GPS、航向测量仪)在单片机中的基于优化的控制规则下构成闭环航速智能控制系统，在海浪中可以更好的改变船体的运动姿态和航速调节，从而更好地改善船舶运行状态，提高安全性并且节省运营成本。作为优选，所述电机螺旋桨推进系统的螺旋桨在船体尾部，所述吊舱推进系统的所述吊舱位于船体首部中央位置距船首六分之一到五分之一船长处，通过传动轴、万向轴节连接到含有传动电机的舱室中，从而通过电动机的转动带动螺旋桨推动；其中电机功率及螺旋桨几何参数基于操纵推进系统性能最优(主要包括：航向稳定性、机动性和推进性能综合最优)计算确定，其计算包括以下步骤：(1)设计变量优化设计变量包括：船艇主浮体长L，船艇主浮体宽B，吃水T，方形系数Cb，水线长Lw，片体宽度C0，主推进螺旋桨直径DP，主推进螺旋桨盘面比Aeo，主推进螺旋桨螺距比PDP，主推进螺旋桨转速N，吊舱螺旋桨直径D1P，吊舱螺旋桨盘面比A1eo，吊舱螺旋桨螺距比P1DP，吊舱螺旋桨转速N1，吊舱转轴纵向位置l1lp，吊舱桨轴垂向位置l1vp，设计航速VS。(2)目标函数将航向稳定性，机动性和推进性能三个子目标函数(以幂指数乘积的形式)整合成一个总目标函数：f(x)＝f1(x)α1·f2(x)α2·f3(x)α3，α1×α2×α3＝1,a1＞0,a2＞0,a3＞0其中，f1(x)为航向稳定性的目标函数，其表达式为：f1(x)＝C＝Y′vN′r-N′v(Y′r-m′)式中，Y′v,Y′r,N′v,N′r为无因次速度流体动力导数，m′为无因次船体质量；其中，f2(x)为机动性的目标函数P(转首指数)代表操舵后船舶在一个船长内，每单位舵角引起的首向角改变值。它用以衡量船舶机动性。指数P用以反映出船舶转首性的能力，P值越大，转首性越好，越容易改变航向，其表达式为：式中，K’为无因次回转指数；T’为无因次应舵指数；其中，f3(x)为推进性能的目标函数(包括：主推和吊舱推进)，其表达式为：f3(x)＝P.Cβ1·P.C1β2＝(ηHηRηSη0)β1·(η1Hη1Rη1Sη1o)β2，β1*β2＝1,且β1＞β2＞0式中，η0为主推螺旋桨敞水效率；ηH为主推船身效率；ηR为主推相对旋转效率；ηs为主推轴系效率；η10为吊舱螺旋桨敞水效率；η1H为吊舱船身效率；η1R为吊舱相对旋转效率；η1s为吊舱轴系效率；约束条件：(1)静水浮性约束；(2)推力阻力平衡约束；(3)转矩平衡约束，即主机供给螺旋桨的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，其特征在于：包括电机螺旋桨推进系统、吊舱推进系统和综合优化控制系统，所述综合优化控制系统包括单片机(303)、波浪测量仪(301)、高精度姿态测量仪(302)、GPS(304)和航向测量仪(305)，所述波浪测量仪(301)用于测量波浪参数，所述高精度姿态测量仪(302)用于测量船艇的航行姿态参数，所述GPS(304)用于测量船艇的航行位置，所述航向测量仪(305)用于测量船艇的航向，所述单片机(303)根据所述波浪测量仪(301)、所述高精度姿态测量仪(302)、所述GPS(304)以及所述航向测量仪(305)测量的数据控制所述电机螺旋桨推进系统和所述吊舱推进系统。/n
【技术特征摘要】
1.一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，其特征在于：包括电机螺旋桨推进系统、吊舱推进系统和综合优化控制系统，所述综合优化控制系统包括单片机(303)、波浪测量仪(301)、高精度姿态测量仪(302)、GPS(304)和航向测量仪(305)，所述波浪测量仪(301)用于测量波浪参数，所述高精度姿态测量仪(302)用于测量船艇的航行姿态参数，所述GPS(304)用于测量船艇的航行位置，所述航向测量仪(305)用于测量船艇的航向，所述单片机(303)根据所述波浪测量仪(301)、所述高精度姿态测量仪(302)、所述GPS(304)以及所述航向测量仪(305)测量的数据控制所述电机螺旋桨推进系统和所述吊舱推进系统。
2.如权利要求1所述的一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，其特征在于：所述电机螺旋桨推进系统包括螺旋桨一(101)、螺旋桨二(102)、联轴器一(103)、联轴器二(104)、传动轴一(105)、传动轴二(106)、直流无刷电机一(107)和直流无刷电机二(108)，所述直流无刷电机一(107)通过所述联轴器一(103)与所述传动轴二(106)传动连接，所述传动轴二(106)与所述螺旋桨二(102)传动连接，所述直流无刷电机二(108)通过所述联轴器二(104)与所述传动轴一(105)传动连接，所述传动轴一(105)与所述螺旋桨一(101)传动连接，所述螺旋桨一(101)和所述螺旋桨二(102)位于船体尾部沿船体中线对称布置。
3.如权利要求2所述的一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，其特征在于：所述螺旋桨一(101)和所述螺旋桨二(102)的直径不超过船艇吃水深度的2/...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪保江，杨松林，李阳洋，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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