一种全垫升气垫船的自动驾控系统及控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种全垫升气垫船的自动驾控系统及控制方法，外设管理计算机从传感器单元获得气垫船船的实际航向信息，从气垫船位置测量单元获得船的实际航速信息，通过总线接口将前述信息发送到控制计算机；控制计算机根据实际航向与设定航向之间的偏差，计算得到气垫船空气舵舵角和左右桨螺距值；控制计算机通过总线接口将空气舵舵角指令和左右桨螺距指令值发送给外设管理计算机；外设管理计算机将前述指令发送至气垫船驱动执行机构，实现自动控制模式。
【专利说明】一种全垫升气垫船的自动驾控系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种全垫升气垫船的自动驾控系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中，全垫升气垫船很多采用人工操控方式，主要是依靠驾驶员观察气垫船空间运动参数的变化，直接操纵船的多种执行机构来实现操船。由于全垫升气垫船在风浪中航行时稳定性较差，航向和姿态较难控制，容易发生偏航与侧漂，同时气垫船围裙系统在高速航行时湿水较大，容易产生突然缩进的失稳现象。因此，采用驾驶员人工操控方式时，不易得到良好的控制品质，而且驾驶员的工作量极为繁重，精神上承受巨大负担，一旦操纵不当，会造成船的高速回转与侧滑，使船处于危险的航行状态，可能造成翻船的严重事故。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种全垫升气垫船的自动驾控系统及方法，能够实现全垫升气垫船的自动驾驶，有效提高气垫船航行的稳定性和安全性。
[0004]基于同一发明构思，本发明目具有两个独立的技术方案:
[0005]1.一种全垫升气垫船的自动驾控系统，包括操纵手轮、螺旋桨操纵手柄、气垫船驱动执行机构，其特征在于:还包括控制计算机、外设管理计算机、操纵面板和操纵面板管理计算机，操纵手轮、螺旋桨操纵手柄的信号输出端接控制计算机，控制计算机与外设管理计算机、操纵面板管理计算机通讯连接，外设管理计算机信号输出端接气垫船驱动执行机构，传感器单元和气垫船位置测量单元的信号输出端接外设管理计算机。
[0006]传感器单元包括风传感器，用来测量风速和风向；姿态传感器，用来测量船的航向、回转率、纵摇、横摇和垂向加速度。
[0007]气垫船驱动执行机构包括机桨联控系统，用于驱动控制两台空气螺旋桨的螺距；空气舵操控系统，用于同步驱动控制四个空气舵的舵角。
[0008]2、一种利用权利要求1所述全垫升气垫船的自动驾控系统的控制方法，其特征在于:外设管理计算机从传感器单元获得气垫船船的实际航向信息，从气垫船位置测量单元获得船的实际航速信息，通过总线接口将前述信息发送到控制计算机；控制计算机根据实际航向与设定航向之间的偏差，计算得到气垫船空气舵舵角和左右桨螺距值；控制计算机通过总线接口将空气舵舵角指令和左右桨螺距指令值发送给外设管理计算机；外设管理计算机将前述指令发送至气垫船驱动执行机构，实现自动控制模式。
[0009]当检测到气垫船的纵倾角大于报警限界值时，控制计算机向操纵面板计算机发送报警控制信号，操纵面板进行声光报警；当气垫船的纵倾角达到安全控制启动值时，控制计算机向外设管理计算机发送指令，自动减小左右桨螺距值。
[0010]当检测到气垫船的侧滑角大于报警限界值时，控制计算机向操纵面板计算机发送报警控制信号，操纵面板进行声光报警；当气垫船的侧滑角达到安全控制启动值时，控制计算机向外设管理计算机发送指令，自动调整空气舵舵角和左右螺旋桨的螺距差。
[0011]可直接通过操控操纵手轮和螺旋桨操纵手柄实现手动控制模式，操纵手轮和螺旋桨操纵手柄信号输入至外设管理计算机，外设管理计算机向气垫船驱动执行机构发送相应指令；操纵面板上设有手动模式、自动模式转换开关。
[0012]自动控制模式下，旋转操纵手轮设定气垫船的回转率，设定的回转率信息发送至外设管理计算机，外设管理计算机从传感器单元得到气垫船的实际回转率信息，外设管理计算机将设定的回转率信息和实际回转率信息发送到控制计算机，控制计算机根据实际回转率与设定回转率的偏差，计算得到气垫船空气舵舵角，实现气垫船的回转率保持控制。
[0013]本发明具有的有益效果:
[0014]本发明可有效提高气垫船航行的稳定性和安全性。本发明外设管理计算机从传感器单元获得气垫船船的实际航向信息，从气垫船位置测量单元获得船的实际航速信息，通过总线接口将前述信息发送到控制计算机；控制计算机根据实际航向与设定航向之间的偏差，计算得到气垫船空气舵舵角和左右桨螺距值；控制计算机通过总线接口将空气舵舵角指令和左右桨螺距指令值发送给外设管理计算机；外设管理计算机将前述指令发送至气垫船驱动执行机构，可实现航向保持自动控制。本发明自动控制模式下，旋转操纵手轮设定气垫船的回转率，可实现回转率保持自动控制。本发明当检测到气垫船的纵倾角、侧滑角大于报警限界值时，操纵面板可进行声光报警；当气垫船的纵倾角、侧滑角达到安全控制启动值时，可进行安全自动控制。本发明还可直接通过操控操纵手轮和螺旋桨操纵手柄实现手动控制模式，操纵面板上相应设有手动模式、自动模式转换开关。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明全垫升气垫船的自动驾控系统组成框图；
[0016]图2是本发明全垫升气垫船的自动驾控方法流程框图；
[0017]图3是本发明安全限界自动控制原理框图。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，自动驾控系统包括操纵手轮5、螺旋桨操纵手柄7、气垫船驱动执行机构，气垫船驱动执行机构包括机桨联控系统，用于驱动控制两台空气螺旋桨的螺距；空气舵操控系统，用于同步驱动控制四个空气舵的舵角。自动驾控系统还包括控制计算机1、外设管理计算机2、操纵面板3和操纵面板管理计算机4，控制计算机I外接显示器6，操纵手轮
5、螺旋桨操纵手柄7的信号输出端接控制计算机1，控制计算机I与外设管理计算机2、操纵面板管理计算机4通讯连接，外设管理计算机2信号输出端接气垫船驱动执行机构，传感器单元和位置参考系统(气垫船位置测量单元)的信号输出端接外设管理计算机。传感器单元包括风传感器，用来测量风速和风向；姿态传感器，用来测量船的航向、回转率、纵摇、横摇和垂向加速度。位置参考系统有GPS和北斗导航系统。
[0019]实施时，操纵面板3设有功能按键、指示灯和开关，主要有电源开关、手动/自动模式转换开关、航向报警指示灯、故障报警灯、限界报警灯、数字小键盘、航向保持灯、回转率保持灯、航向设定按键、安全限界按键、辅助功能按键、蜂鸣器。操纵面板管理计算机4采用单片机设计，采集各个按键的信息并通过串行接口发送给控制计算机I。[0020]如图2所示，全垫升气垫船的自动驾控方法如下:
[0021](一)手动控制模式。
[0022]当操纵面板3上的手动/自动转换模式开关拨至“手动”时，驾驶人员可以通过转动操纵手轮5控制空气舵的舵角，操纵手轮5转动的角度与空气舵的转角成比例关系。驾驶人员可以通过推动螺旋桨操纵手柄7控制两个螺旋桨的螺距，螺旋桨操纵手柄7向前推螺距增加，向后拉螺距减小。操纵手轮6和螺旋桨操纵手柄7输出的模拟量电压信号，进入外设管理计算机2的Α/D板。外设管理计算机2将采集到的操纵手轮6和螺旋桨操纵手柄7的模拟量信号发送给控制计算机I，控制计算机I将该舵角指令和螺距指令显示在综合显示界面上。同时，外设管理计算机2将操纵手轮5输出的模拟量信号，通过D/Α板发送给空气舵控制器，作为舵角的指令信号，控制空气舵的转角；外设管理计算机2将螺旋桨操纵手柄7指令发送给机桨联控系统。在手动工作模式下，没有安全限界控制功能，但有安全限界的报警功能。
[0023](二)航向保持自动控制模式。
[0024]当操纵面板3上的手动/自动转换模式开关拨至“自动”时，自动驾控系统处于自动控制模式，此时操纵手轮5要求处于中间位置，自动驾控系统处于航向自动保持功能状态。航向自动保持的目的是在海洋环境干扰作用下，通过控制器控制执行机构的动作，自动实现给定航向的自动保持。气垫船处于航向保持功能时，同时可以对航速进行控制。系统把手动、自动转换开关切换前的船速作为要保持的设定航速，系统自动控制空气螺旋桨的螺距角，将航速控制在所要求的航速上。在航向保持过程中，驾驶员可利用操纵面板3小键盘上的上、下箭头按键对设定航速进行增加和减小。
[0025]外设管理计算机2从姿态传感器得到船的实际航向信息，从GPS接收机得到船的实际航速信息，通过总线接口发送到控制计算机1，控制计算机I根据实际航向与设定航向之间的偏差，经过控制器的解算后，得到空气舵舵角和左右桨螺距值。控制计算机I通过总线接口将空气舵舵角指令和左右两个桨螺距指令值发送给外设管理计算机2，外设管理计算机2经D/Α板向空气舵发送舵角指令，向机桨联控系统发送螺距指令。在航向保持功能下，驾驶员可通过操纵面板改变航向的设定值。当气垫船达到期望的航向时，气垫船自动保持气垫船行驶在期望的航向上。
[0026](三)回转率保持自动控制模式:
[0027]自动控制模式下，驾驶员可以旋转操纵手轮5到不同角度(不在中间位置)来设定回转率的大小。此时操纵板上“回转率保持灯”亮。外设管理计算机2从姿态传感器得到船的实际回转率信息，通过总线接口发送到控制计算机1，控制计算机I根据实际回转率与来自手轮6的设定回转率之间的偏差，经过控制器的解算后，得到空气舵舵角。
[0028]如图2、图3所示，通过如下方法实现安全限界报警与控制。
[0029](I)自动驾控系统在气垫船的航行中实时监测船的纵倾角、横倾角、侧滑角和回转率的变化，并实时地在显示画页的安全限界参数区加以显示。
[0030](2)当检测到气垫船的纵倾角大于报警限界值，也就是存在埋艏趋势时，控制系统发出声音和指示灯灯光报警信号，提醒操纵人员。
[0031](3)若驾驶人员没有采取相应措施，纵倾角度继续变大，达到安全控制启动值时，控制系统自动减小两个螺距桨的螺距值，达到减小推力的目的。等到检测到船恢复到正常航行姿态时，自动取消减小双桨螺距的指令。
[0032](4)当检测到气垫船侧滑角超过报警限界值，通过声音和指示灯灯光报警信号提醒操纵人员。
[0033](5)如果趋势继续危险到超过安全控制动作启动界限值，控制系统改变空气舵舵角和两个螺旋桨的螺距差，达到改变船的侧滑角的目的，恢复船的正常航行姿态。等到检测到气垫船恢复到正常航行姿态时，自动取消改变空气舵和双桨螺距差的指令。
【权利要求】
1.一种全垫升气垫船的自动驾控系统，包括操纵手轮、螺旋桨操纵手柄、气垫船驱动执行机构，其特征在于:还包括控制计算机、外设管理计算机、操纵面板和操纵面板管理计算机，操纵手轮、螺旋桨操纵手柄的信号输出端接控制计算机，控制计算机与外设管理计算机、操纵面板管理计算机通讯连接，外设管理计算机信号输出端接气垫船驱动执行机构，传感器单元和气垫船位置测量单元的信号输出端接外设管理计算机。
2.根据权利要求1所述的全垫升气垫船的自动驾控系统，其特征在于:传感器单元包括风传感器，用来测量风速和风向；姿态传感器，用来测量船的航向、回转率、纵摇、横摇和垂向加速度。
3.根据权利要求2所述的全垫升气垫船的自动驾控系统，其特征在于:气垫船驱动执行机构包括机桨联控系统，用于驱动控制两台空气螺旋桨的螺距；空气舵操控系统，用于同步驱动控制四个空气舵的舵角。
4.一种利用权利要求1所述全垫升气垫船的自动驾控系统的控制方法，其特征在于:外设管理计算机从传感器单元获得气垫船船的实际航向信息，从气垫船位置测量单元获得船的实际航速信息，通过总线接口将前述信息发送到控制计算机；控制计算机根据实际航向与设定航向之间的偏差，计算得到气垫船空气舵舵角和左右桨螺距值；控制计算机通过总线接口将空气舵舵角指令和左右桨螺距指令值发送给外设管理计算机；外设管理计算机将前述指令发送至气垫船驱动执行机构，实现自动控制模式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:当检测到气垫船的纵倾角大于报警限界值时，控制计算机向操纵面板计算机发送报警控制信号，操纵面板进行声光报警；当气垫船的纵倾角达到安全控制启动值时，控制计算机向外设管理计算机发送指令，自动减小左右桨螺距值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:当检测到气垫船的侧滑角大于报警限界值时，控制计算机向操纵面板计算机发送报警控制信号，操纵面板进行声光报警；当气垫船的侧滑角达到安全控制启动值时，控制计算机向外设管理计算机发送指令，自动调整空气舵舵角和左右螺旋桨的螺距差。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于:可直接通过操控操纵手轮和螺旋桨操纵手柄实现手动控制模式，操纵手轮和螺旋桨操纵手柄信号输入至外设管理计算机，外设管理计算机向气垫船驱动执行机构发送相应指令；操纵面板上设有手动模式、自动模式转换开关。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:自动控制模式下，旋转操纵手轮设定气垫船的回转率，设定的回转率信息发送至外设管理计算机，外设管理计算机从传感器单元得到气垫船的实际回转率信息，外设管理计算机将设定的回转率信息和实际回转率信息发送到控制计算机，控制计算机根据实际回转率与设定回转率的偏差，计算得到气垫船空气舵舵角，实现气垫船的回转率保持控制。
【文档编号】B60V1/11GK103921784SQ201410134514
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】丁福光, 王成龙, 付明玉, 赵大威, 边信黔, 林孝工, 刘向波, 施小成 申请人:哈尔滨工程大学