一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，单手柄操纵器安装在船模驾驶台，发出合力信号；液压执行单元包括与喷水推进装置对应数量的液压缸，液压缸与倒车斗连接；电控执行单元包括与喷水推进装置对应数量的步进电机和伺服电机，步进电机与转向机构连接，伺服电机与主推轴连接；上位机获取单手柄操纵器的信号经过矢量控制算法处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，将处理后的信号下发；伺服电机控制主机转速，下位机获取信号后传达给液压执行单元和步进电机，进而分别控制倒车斗和转向机构的角度。本发明专利技术仅需一个单手柄操纵器可实现对喷水推进船模航行试验方向和速度的联合控制，从而实现船模运动的矢量控制。实现船模运动的矢量控制。实现船模运动的矢量控制。

【技术实现步骤摘要】
一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统


[0001]本专利技术属于船舶操纵性
，具体涉及一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统。

技术介绍

[0002]喷水推进装置有别于一般的螺旋桨推进方式，喷水推进是装在船上的水泵将水向后喷出，利用反推力使舰船按照要求运动。相比于螺旋桨推进，喷水推进装置有优异的机动性能和操纵性能，较高的推进效率，传动简单，便于日常维护和保养。
[0003]目前喷水推进船舶还是多采用舵轮和主机控制手柄等传统的转向机构，这种传统的结构较难实现船舶复杂运动简单操纵的效果。国外例如Hamilton等喷水推进装置制造商已开展矢量控制方面的研究，但是核心技术并未公开。喷水推进方式相比于螺旋桨和吊舱推进方式控制参数多，对于装有N套喷水推进装置的船舶需要同步控制3N个参数，控制难度较大。因此针对喷水推进船模在平移、绕点运动等低速工况下，国内并没有完整设计一套适用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，该系统仅需要一个单手柄操纵器发出合力/力矩信号，通过矢量控制算法为多套喷水推进装置分配转速和转向倒车机构角度，使得喷水推进船模可轻易实现各种复杂操纵，同时降低驾驶员的驾驶难度。
[0005]本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
[0006]一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，包括单手柄操纵器、上位机监控单元、下位机控制单元、液压执行单元、电控执行单元；所述单手柄操纵器安装在船模驾驶台，由驾驶员按照需要发出合力信号；所述液压执行单元包括与喷水推进装置对应数量的液压缸，所述液压缸与其对应喷水推进装置的倒车斗连接；所述电控执行单元包括与喷水推进装置对应数量的步进电机和伺服电机，其中，所述步进电机与其对应喷水推进装置的转向机构连接，所述伺服电机与其对应喷水推进装置的主推轴连接；上位机获取单手柄操纵器的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，并将处理后的信号下发给下位机、液压执行单元、步进电机和伺服电机；伺服电机控制主机转速，下位机获取信号后传达给液压执行单元和步进电机，进而分别控制倒车斗和转向机构的角度。
[0007]上述方案中，所述喷水推进装置的数量至少为两个。
[0008]上述方案中，所述单手柄操纵器包括方向摇杆、方向旋钮、防水复位按钮和数据传输接口；所述方向摇杆的操纵范围是360
°
，在每一操纵方向下的操纵幅度最大为25
°
，摇杆的方向即为船模合力方向，摇杆的幅度即为该合力大小；所述方向旋钮的范围为
±
36
°
，旋钮方向即为船模的转向信号；所述防水复位按钮的作用是航行状态遇突发情况下，按下该
按钮可让船模航速为0，同时转向机构与倒车斗角度复位到起始状态；所述数据传输接口与上位机连接，发送当前船模速度与方向信息。
[0009]上述方案中，所述方向摇杆安装在船模驾驶台，所述方向旋钮位于方向摇杆的上方，所述防水复位按钮位于手柄操纵杆的正上方，所述数据传输接口安装在手柄的正下方，数据传输接口与上位机的输入口相连。
[0010]上述方案中，所述矢量控制智能算法包括以下步骤：
[0011]步骤1、上位机实时获取单手柄操纵器发出的船模合力信号；
[0012]步骤2、上位机将手柄信息转化为喷水推进船模矢量控制的合力方向和合力大小信息；
[0013]步骤3、根据喷水推进装置运动机构的物理特性限制进行等式约束和不等式约束，同时考虑喷水推进船模航向稳定性和动态响应特性，设计推力分配目标函数；
[0014]步骤4、采用序列二次规划算法求解推力分配目标函数，可获得N套喷水推进装置对应的3N套主机转速、倒车斗角度和转向机构角度，同时将推力分配好的转速角度信息下发给下位机和伺服电机执行单元。
[0015]上述方案中，步骤3中，所设计的推力分配目标函数、等式约束、不等式约束具体如下：
[0016][0017]c0≤n
i
≤c1/不等式约束
[0018]a0≤α
i
≤a1/不等式约束
[0019]b0≤β
i
≤b1/不等式约束
[0020]式中：f为推力分配目标函数；w
i
为权重因子，i＝1～N，N表示喷水推进装置个数，i表示第i个喷水推进装置；n
i
为第i个喷水推进装置转速；n
i0
是第i个喷水推进装置上一时刻转速；N
i
为第i个喷水推进装置转速范围；α
i
为第i个喷水推进装置转向机构角度；α
i0
为第i个喷水推进装置上一时刻转向机构角度；A
i
为第i个喷水推进装置转向机构运动范围；β
i
为第i个喷水推进装置倒车斗角度；β
i0
为第i个喷水推进装置上一时刻倒车斗角度；B
i
为第i个喷水推进装置倒车斗运动范围；T
x
为各喷水推进装置纵向力；F
x
为船模纵向合力；T
y
为各喷水推进装置横向力；F
y
为船模横向合力；M为船模扭矩；l
xi
为第i个喷水推进装置在X轴方向的坐标；l
yi
为第i个喷水推进装置在Y轴方向的坐标；c0为喷水推进装置的最低转速；c1为喷水推进装置的最高转速；a0为喷水推进装置转向机构向左运动最大角度；a1为喷水推进装置转向机构向右运动最大角度；b0为喷水推进装置倒车斗收起时最小角度；b1为喷水推进装置
倒车斗放下时最大角度。
[0021]上述方案中，所述上位机监控单元包括工控机、显示屏和蓄电池；所述工控机布置于单手柄操纵器正后方，用于获取单手柄操纵器的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，使船体按照手柄终端的运动方向和运动幅度作相应的船体运动；所述显示屏通过传输线与工控机相连并位于工控机的正上方，方便驾驶员实时监控船模姿态；所述蓄电池为整个单手柄矢量控制系统供电。
[0022]上述方案中，所述下位机控制单元包括单片机，单片机位于船中工控机的后方，接收工控机发送的转向机构与倒车斗的角度信息，然后使用高级定时器发送脉冲调制信号来控制步进电机运动，使用普通定时器发送通断信号控制液压执行单元运动。
[0023]上述方案中，所述液压执行单元包括液压油箱、液压泵，以及与喷水推进装置数量对应的多组三位四通电磁阀、液压缸以及位移传感器；所述液压油箱为整个液压系统提供循环液压油；所述液压泵进口与液压油箱出油口相连，液压泵出口连接各三位四通电磁阀；所述三位四通电磁阀的控制信号接口与所述单片机GPIO口相连，三位四通电磁阀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，包括单手柄操纵器、上位机监控单元、下位机控制单元、液压执行单元、电控执行单元；所述单手柄操纵器安装在船模驾驶台，由驾驶员按照需要发出合力信号；所述液压执行单元包括与喷水推进装置对应数量的液压缸，所述液压缸与其对应喷水推进装置的倒车斗连接；所述电控执行单元包括与喷水推进装置对应数量的步进电机和伺服电机，其中，所述步进电机与其对应喷水推进装置的转向机构连接，所述伺服电机与其对应喷水推进装置的主推轴连接；上位机获取单手柄操纵器的实时信号并经过矢量控制算法将手柄信号处理为多台喷水推进装置的转向、倒车及转速参数信号，并将处理后的信号下发给下位机、液压执行单元、步进电机和伺服电机；伺服电机控制主机转速，下位机获取信号后传达给液压执行单元和步进电机，进而分别控制倒车斗和转向机构的角度。2.根据权利要求1所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述喷水推进装置的数量至少为两个。3.根据权利要求1所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述单手柄操纵器包括方向摇杆、方向旋钮、防水复位按钮和数据传输接口；所述方向摇杆的操纵范围是360
°
，在每一操纵方向下的操纵幅度最大为25
°
，摇杆的方向即为船模合力方向，摇杆的幅度即为该合力大小；所述方向旋钮的范围为
±
36
°
，旋钮方向即为船模的转向信号；所述防水复位按钮的作用是航行状态遇突发情况下，按下该按钮可让船模航速为0，同时转向机构与倒车斗角度复位到起始状态；所述数据传输接口与上位机连接，发送当前船模速度与方向信息。4.根据权利要求3所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述方向摇杆安装在船模驾驶台，所述方向旋钮位于方向摇杆的上方，所述防水复位按钮位于手柄操纵杆的正上方，所述数据传输接口安装在手柄的正下方，数据传输接口与上位机的输入口相连。5.根据权利要求1所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，所述矢量控制智能算法包括以下步骤：步骤1、上位机实时获取单手柄操纵器发出的船模合力信号；步骤2、上位机将手柄信息转化为喷水推进船模矢量控制的合力方向和合力大小信息；步骤3、根据喷水推进装置运动机构的物理特性限制进行等式约束和不等式约束，同时考虑喷水推进船模航向稳定性和动态响应特性，设计推力分配目标函数；步骤4、采用序列二次规划算法求解推力分配目标函数，可获得N套喷水推进装置对应的3N套主机转速、倒车斗角度和转向机构角度，同时将推力分配好的转速角度信息下发给下位机和伺服电机执行单元。6.根据权利要求5所述的用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统，其特征在于，步骤3中，所设计的推力分配目标函数、等式约束、不等式约束具体如下：在于，步骤3中，所设计的推力分配目标函数、等式约束、不等式约束具体如下：
c0≤n
i
≤c1/不等式约束a0≤α
i
≤a1/不等式约束b0≤β
i
≤b1/不等式约束式中：f为推力分配目标函数；w
i
为权重因子，i＝1～N，N表示喷水推进装置个数，i表示第i个喷水推进装置；n
i
为第i个喷水推进装置转速；n
i0
是第i个喷水推进装置上一时刻转速；N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁江明，王博，赵文博，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：