本发明属于船舶智能控制技术领域，尤其涉及一种用于吊舱推进船舶的控制装置与方法。
背景技术：
伴随国际贸易的蓬勃发展，世界海运量持续增加，港口运输的作业也日益繁重。因此，港口交通日益繁忙，航行密度越来越大，航道变得较为狭窄，出入港口愈发拥挤，从而使船舶碰撞和搁浅事故时有发生。
目前，吊舱推进技术在国外经过20余年的发展，已经有了十分完善的推进器设计方案和成熟的推进控制策略。从工程船、破冰船到目前的豪华游轮、化学品船、油船等，吊舱推进器在船舶推进领域的应用范围逐渐扩大。现有技术的吊舱推进器用智能控制系统，不能够很好地满足船舶的复杂高机动性操纵，避免船舶在进出港时发生水上交通事故。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于吊舱推进船舶的控制装置与方法，实现吊舱推进船舶在任意航速下完成平移、斜移、原地回转、快速倒车等常规推进器难以完成的操控，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于吊舱推进船舶的控制装置，包括数据采集模块、信号处理模块、通信模块、系统控制器和执行机构，其中，数据采集模块包括操纵手柄、第一螺旋桨转速传感器、第二螺旋桨转速传感器、第一角度传感器和第二角度传感器，其中操纵手柄用来将驾驶员的操纵信号转换为电信号传送到信号处理模块；信号处理模块通过通信模块与系统控制器连接，系统控制器对执行机构进行驱动，执行机构由第一吊舱推进器和第二吊舱推进器组成，第一吊舱推进器包括第一螺旋桨电机、第一回转控制电机，第二吊舱推进器包括第二螺旋桨电机、第二回转控制电机；第一角度传感器实时监测第一吊舱推进器的回转角度，第二角度传感器实时监测第二吊舱推进器的回转角度，并将回转角度信号传至信号处理模块；第一螺旋桨转速传感器实时监测第一螺旋桨电机转速，第二螺旋桨转速传感器实时监测第二螺旋桨电机转速，并将转速信号传至信号处理模块；信号处理模块将操纵手柄与各传感器采集的电信号转换为系统控制器可以识别的数值信号，并将数值信号输送到系统控制器，系统控制器对数值信号进行比对并输出动作信号给执行机构。
按上述技术方案，第一螺旋桨电机和第一回转控制电机安装于第一吊舱推进器内，第一吊舱推进器安装于吊舱推进船舶尾部左侧；第二螺旋桨电机和第二回转控制电机安装于第二吊舱推进器，第二吊舱推进器安装于吊舱推进船舶尾部右侧。
按上述技术方案，包括以下步骤，步骤一，按照推力作用点与重心连线将船舶所在水平面划分为i、ii、iii、iv四个区域，i区域范围为(φ，180°-φ]，iii区域范围为(180°+φ，360°-φ]，ii区域范围为(-φ，φ]，iv区域范围为(180°-φ，180°+φ]，φ为ⅱ、ⅳ区域边界线夹角的一半；吊舱推进船舶在ⅰ、ⅲ区域斜移时，驾驶员通过控制操纵手柄输出手柄幅度角信号γj和手柄方位角信号λj，经由系统控制器对第一螺旋桨电机、第二螺旋桨电机的转速，第一回转控制电机、第二回转控制电机的回转角度进行调整；步骤二，将水平面区域ⅱ、ⅳ区域划分为直行区、左过渡区和右过渡区，ⅱ区域直行区的范围为为(-φ/2，φ/2]，左过渡区的范围为为(-φ，-φ/2]，右过渡区的范围为为(φ/2，φ]；ⅳ区域直行区的范围为为(180°-φ/2，180°+φ/2]，左过渡区的范围为为(180°+φ/2，180°+φ]，右过渡区的范围为为(180°-φ，180°-φ/2]。为解决吊舱推进船舶行驶状态由直行变换到大幅度斜移时吊舱推进器的旋转角短时间发生大幅度偏转的问题。吊舱推进船舶在直行区移动时，第一吊舱推进器和第二吊舱推进器均正车或倒车，驾驶员通过控制操纵手柄的手柄幅度角信号γj控制吊舱推进船舶移动速度，通过控制操纵手柄的手柄方位角信号λj控制吊舱推进器小幅度偏转；步骤三，吊舱推进船舶在左过渡区和右过渡区移动时，通过使第一吊舱推进器、第二吊舱推进器中的一个回转90°，另一吊舱推进器保持原位置不变，通过改变回转90°的吊舱推进器的转速，实现不同的斜移角度和斜移速度。
操纵手柄输出三个控制量：手柄幅度角信号γj，控制吊舱推进船舶的移动速度；手柄方位角信号λj，控制吊舱推进船舶的移动方向；旋钮旋转角信号τj，修正吊舱推进船舶的航向。操纵手柄在y轴方向绕基座摆动，输出手柄幅度角信号γj；同时操纵手柄可以绕其轴线旋转，输出手柄方位角信号λj，操纵手柄头部设置可以绕轴旋转的旋钮(规定向左旋为负，向右旋为正)，输出旋钮旋转角信号τj。
按上述技术方案，所述步骤一中，吊舱推进船舶在ⅰ、ⅲ区域斜移时，驾驶员通过控制操纵手柄输出手柄幅度角信号γj和手柄方位角信号λj，具体为，当船舶在ⅰ区域上半区域(φ<λj<90°)内斜移时，第一吊舱推进器转速：
按上述技术方案，当外界因素(风浪流等)影响船头偏转时，驾驶员通过控制操纵手柄头部旋钮输出旋钮旋转角信号τj，经由系统控制器作用对第一吊舱推进器和第二吊舱推进器的回转角进行调整，具体为：当船头右偏时，第一吊舱推进器回转角：
本发明产生的有益效果是：1.开发出一整套吊舱推进船舶的智能操控系统，可实现吊舱推进船舶在不同运行工况下正常工作，降低了操作难度。
2.本发明通过伪逆算法对推进器进行推力优化分配，充分发挥了吊舱推进器的360°全回转特性，使双吊舱配合产生任意方向的矢量力，令船舶在任意航速下能够完成平移、斜移、原地回转、快速倒车等常规推进器难以完成的操控，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的整体组成示意图。
图2为本发明的操纵手柄结构组成示意图。
图3为本发明的操纵手柄幅度角信号示意图。
图4为本发明的控制策略区域划分示意图。
图5为本发明的ⅰ区域斜移吊舱推进器状态及受力状况示意图。
图6为本发明的控制策略ⅳ区域划分及正车示意图。
图7为本发明的ⅱ区域右过渡区斜移吊舱推进器状态及受力状况示意图。
图8为本发明的ⅱ区域左过渡区斜移吊舱推进器状态及受力状况示意图。
图9为本发明的吊舱推进船舶偏航小范围调整时吊舱推进器状态及受力状况示意图。
图中：001.操纵手柄；002.数据采集模块；003.信号处理模块；004.系统控制器；005.执行机构；006.第一吊舱推进器；007.第二吊舱推进器；008.第一转速传感器；009.第一螺旋桨电机；010.第一角度传感器；011.第一回转控制电机；012.第二转速传感器；013.第二螺旋桨电机；014.第二角度传感器；015.第二回转控制电机；016.直行区；017.左过渡区；018.右过渡区；019.基座；020.旋钮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，如图1所示，提供一种用于吊舱推进船舶的控制系统，包括数据采集模块002、信号处理模块003、通信模块、系统控制器004和执行机构005。数据采集模块002由操纵手柄001、螺旋桨转速传感器008、012和角度传感器010、014组成。操纵手柄001可以在y轴方向绕基座摆动，输出手柄幅度角信号γj；同时操纵手柄001可以绕其轴线旋转，输出手柄方位角信号λj。操纵手柄001头部设置可以绕轴旋转的旋钮018(规定向左旋为负，向右旋为正)，输出旋钮018旋转角信号τj。所述螺旋桨转速传感器008、012安装于吊舱推进器内部，实时监测螺旋桨转轴转速，并将转速信号传至信号处理模块003。所述角度传感器010、014实时监测吊舱推进器的回转角度，并将回转角度信号传至信号处理模块003。所述信号处理模块003实现数据采集模块002各传感器采集的电信号转换为系统控制器004可以识别的数值信号，然后将数值信号通过通信模块传给系统控制器004。所述系统控制器004由单片机构成，通过对信号处理模块003传来的数据进行实时的分析，按照控制策略输出动作信号给执行机构005，构成一个闭环负反馈系统。所述通信模块用于实现数据采集模块002、信号处理模块003与系统控制器004之间的通信，使得系统控制器004对整个控制系统进行实时的检测与控制。所述执行机构005由安装于两套吊舱推进器中的推进电机及带动两套吊舱推进器回转的回转电机构成。
进一步地，驾驶员通过控制操纵手柄001摆动幅度输出手柄幅度角信号γj，控制吊舱推进船舶移动速度；控制操纵手柄001旋转角度输出手柄方位角信号λj，控制吊舱推进船舶移动方向；控制操纵手柄001头部旋钮020旋转角度输出旋转角信号τj，修正吊舱推进船舶航向。
如图2所示，控制系统中涉及的控制策略按照推力作用点与重心连线，将水平面划分为i、ii、iii、iv四个区域，i区域范围为(φ，180°-φ]，ii区域范围为(-φ，φ]，iii区域范围为(180°+φ，360°-φ]，iv区域范围为(180°-φ，180°+φ](φ为ⅱ、ⅳ区域边界线夹角的一半)。吊舱推进船舶在ⅰ、ⅲ区域移动时主要考虑横移，在ⅱ、ⅳ区域移动时主要考虑直行。
如图3所示，吊舱推进船舶在ⅰ、ⅲ区域斜移时，驾驶员通过控制操纵手柄001输出幅度角信号γj和手柄方位角信号λj，通信模块将信号传给系统控制器004，系统控制器004对吊舱推进器转速和回转角进行调整。具体为：当在ⅰ区域上半区域(φ<λj<90°)内斜移时，第一吊舱推进器006转速：
如图4、图5所示，将水平面区域ⅱ、ⅳ区域划分为直行区016和左过渡区017和右过渡区018，解决吊舱推进船舶行驶状态由直行变换到大幅度斜移时吊舱推进器的旋转角短时间发生大幅度偏转的问题。吊舱推进船舶在直行区016移动时时第一吊舱推进器006和第二吊舱推进器007均正车或倒车，驾驶员通过控制操纵手柄001摆动幅度控制吊舱推进船舶移动速度，通过控制操纵手柄001头部旋钮018控制吊舱推进器小幅度偏转。第一吊舱推进器006与第二吊舱推进器007的转速：
如图6所示，吊舱推进船舶在过渡区017、018移动时，通过使其中一个吊舱推进器回转90°，另一吊舱推进器保持原位置不变，改变吊舱推进器转速实现不同的斜移角度和斜移速度。具体为：在ⅱ区左过渡区017斜移时，第一吊舱推进器006回转角为0°，第二吊舱推进器007回转角度为270°(顺时针旋转90°)，第一吊舱推进器006转速：
如图7-9所示，当外界风浪流等因素影响船头偏转时，驾驶员通过控制操纵手柄001头部旋钮018输出旋转角信号τj，通信模块将信号传给系统控制器004，系统控制器004对吊舱推进器回转角进行调整。具体为：当船头右偏时，第一吊舱推进器006回转角：
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。