主帆自动控制装置的制作方法

本实用新型涉及现代三角帆船帆的自动控制领域，尤其涉及一种主帆自动控制装置。
背景技术：
：帆船作为绿色、时尚的绅士运动，受到了越来越多人的喜爱，但帆船的操作特别是帆的操作需要技巧和经验。由于每艘船的结构和性能不同，不同类型的船、或者同一条船采用不同的帆都会对船舶的速度性能产生影响，要准确绘出每一条船的风舷角-风速-速度曲线图是不容易的，因为能对帆船速度产生影响的因素太多了。通常情况下，实现帆船不同航行状态下帆的控制是一件很复杂的事情，人工控制帆主要是通过观察帆正面和背面的飘带飞扬状态，根据经验和技巧来调整帆的收和松。航向、风向稍有改变甚至收紧和放松斜拉绳或者换一种帆都会改变帆的迎风状态，从而使最优帆角产生偏移，缭手需要频繁地调整帆的位置才能保持帆船的最佳速度，如果长途航行的话是很消耗体力的。现有关于帆的自动控制方法总体可以分为两种，一种是驾驶员使用机械装置间接控制帆，装置接收驾驶员控制指令执行收帆动作或张帆动作。另一种是根据检测到的风向、风速等数据，自动控制到程序已经设定好的帆角。中安消技术有限公司提出的“一种风帆控制机构、控制方法及帆船”的发明方案中自动控帆是第一种模式。上海珐伊玻璃钢船艇有限公司提出的“一种龙骨帆船的自动控帆系统”的发明方案中自动控帆是第二种模式。这两种模式的不足之处有：一是控帆所依据数据只有风舷角或风速，没有考虑到船舶的倾斜等其它数据。二是没有最佳船速检测系统，不能完全发挥出帆的性能而产生最高的速度。三是系统没有自我学习和更新功能，系统设置好的控制程序不能很好的适应更多的环境和帆船变化。技术实现要素：本实用新型披露一种主帆控制装置，能够产生更接近于富有经验的船员操纵出来的速度，使用本实用新型装置的帆船会有更好的速度表现。本实用新型的主要目的在于能够更好的实现主帆的控制、减轻帆船驾驶体力劳动强度。为实现上述目标，使帆船能自动在不同的风向、风速、倾斜状态和航向中获取最大的风力，并具有系统的终身学习能力，本实用新型的技术方案通过以下几个方面予以阐述：一、为使本实用新型的方法和装置更容易理解，本实用新型有关的相关概念定义：1.视风向与船首线的夹角为风舷角，记为Qw，右舷受风，风舷角为正数；左舷受风，风舷角为负数。2.主帆横杆与船首向反方向的角度称为帆角，记为θ，帆在右舷时帆角为正，帆在左舷时帆角为负。3.MST，最大船速跟踪(MaximumSpeedTracking)。4.控帆数据表，控制帆船帆的数据表，列出了和帆的角度有关的数据。表中有风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角六种类型的数据。初始值只给出了风舷角和帆角的对应数据，风速、横倾角、纵倾角和航速的数据通过自学习获得。该表初始值中风舷角和帆角的对应关系是根据下面3个特殊状态得到的，其他数据线性内插：1)顶风-近风(风舷角为0°—±45°，约90°的禁航区，帆船在此范围内无法航行)，主帆收紧(帆角为0°)；2)正横风(风舷角为90°和-90°)，主帆放出一半(帆角为-45°和45°)3)顺风(风舷角为180°或-180°)，主帆完全放出(帆角为-90°或90°)。表1控帆数据表风舷角Qw风速ω横倾纵倾航速对应帆角θ00102030……450……90-45……180-90-18090……-9045……-45000控帆数据表初始数据没有风速、横倾角、纵倾角和航速的数据，这四种数据在启动MST程序后自主学习获得，并且对应的帆角也会更新。正顺风状态是左舷风和右舷风的临界值，帆角很不稳定，航行时应避免长时间处于该种状态。5.控帆数据表的数据种类，是指风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角，共有六种。本发明中风舷角、横倾角、纵倾角和帆角的默认精度为1°，风速默认精度为1m/s。适航风速默认极限值为18m/s，横倾默认极限值为左右各45°，纵倾默认极限值为前后各20°。对应的，每一个风舷角对应18个风速数据，每一个风速对应90个横倾数据，每一个横倾角对应40个纵倾角数据，每一个纵倾角对应一个帆角数据。因此，风舷角数据有360个；风速数据为6480个，横倾角数据为583200个，纵倾角数据为23328000个，纵倾角与航速和帆角一一对应。以上精度、极限值等数据可以通过人机交互界面进行自定义设置，相对应的每层数据量也会发生变化。6.PID控制器，是一种反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。7.帆角维持，是在风舷角、风速、横倾角、纵倾角都不变的情况下，维持帆角在已经控制到的角度稳定不变，本发明是利用PID控制器来进行帆角维持的。8.最大船速跟踪和自学习，是指在电机组已经根据当前的风舷角运转到控帆数据表中对应的帆角之后，在风舷角、风速、横倾角、纵倾角都稳定不变的情况下，通过本发明的控制方法实现帆船速度最大，达到和富有经验的船员能控制出来的速度一样，并更新控帆数据表中的风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角的数据实现自学习。9.绞盘，是一种安装在电机组转轴上的线盘，通过电机转轴的转动可以实现撩绳的收和放。10.撩绳，是一种通过收缩或放松控制横杆位置(即帆角)的绳索。二、本实用新型主帆自动控制装置的技术方案如下：本实用新型包括包括传感模块、控制模块、运动模块、人机交互模块；传感模块包括风速风向仪、帆角检测仪、姿态仪、多普勒计程仪；控制模块包括控制器、存储器；运动模块包括电机组、绞盘、撩绳；电机组转轴上设置绞盘；人机交互模块包括显示器、MST按钮；风向风速仪安装在帆船桅杆顶端，多普勒计程仪安装在帆船底部，帆角检测仪安装在横杆与桅杆之间，姿态仪安装在船舯，控制器、显示器和电机组安装在船舷上；控制器连接风速风向仪、帆角检测仪、姿态仪、多普勒计程仪、电机组；电机组连接缭绳；控制器中设置存储器。风速风向仪，是一种能测量风舷角和风速的传感仪器；多普勒计程仪是一种能够测量船速的传感仪器；帆角检测仪是能够测量帆船横杆位置的传感仪器；姿态仪是一种能够检测船舶横倾和纵倾状态的传感仪器；控制器用于传感器数据的读取、处理和存储,并向电机组下达指令；电机组能够执行传感器的指令使缭绳产生收或放的动作，从而实现自动调整横杆位置(即帆角)；显示器显示内容有：时间、风舷角、风速、航速、车钟位(L/M/H档位)、帆操纵模式、MST按钮等数据。帆操纵模式有：帆自动控制模式与帆手动控制模式。L档位对应航速小于5节，M档位对应航速小于10节,H档位对应航速大于15节。只有按下MST按钮，控制器才会启动MST和控制程序自更新功能。三、本实用新型主帆自动控制装置的控制步骤如下：步骤一：开航前通过人机交互界面设置控制器处理风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪数据的精度、极限值。步骤二：风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪采集数据；步骤三：控制器实时读取传感器数据，根据控帆数据表处理并输出控制指令到电机组；步骤四：电机组根据控制器的控制指令通过绞盘和缭绳控制主帆，使帆角达到指定角度；步骤五：检测船舶倾斜姿态是否在设定的安全范围内，否则松帆到安全值。步骤六：通过PID控制器进行帆角维持。步骤七：如果检测到风舷角、风速、横倾角、纵倾角的改变，重复上面步骤。步骤八：如果检测到按下MST按钮，开始最大船速跟踪和自学习步骤。步骤九：判断此时帆角和最优帆角的大小关系。记录帆角θ和船速v，收帆到θ’，检测此时v’，比较v和v’的大小关系，有两种结果(由于帆角发生了变化，v和v’不会出现相等的情况)。步骤十：如果v’＞v，说明此时帆角比最优帆角大，应该开始收帆，转到步骤十二。否则进行步骤十一。步骤十一：v’＜v，说明此时帆角比最优帆角小，应该开始松帆，转到步骤十三。步骤十二：使帆角向最优帆角靠近。收帆到θ’，测船速v’，判断v’＞v，如果是，则θ＝θ’。重复步骤十二，直到v’＜v。如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值。转到步骤十四。步骤十三：使帆角向最优帆角靠近。松帆到θ’，测船速v’，判断v’＞v，如果是，则θ＝θ’。重复步骤十三，直到v’＜v。如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值。转到步骤十四。步骤十四：记录此时风速、横倾角、纵倾角和航速数据，此时系统自动跟踪到最大船速，结束最大船速跟踪和自学习步骤，转到步骤六。四、本实用新型具有如下效果和优点：1.本实用新型与现有帆的自动控制装备相比，改善装置结构并加入姿态传感器，能够保证在自动控帆时船舶倾斜在安全值之内。一般而言，在对帆的手动操作过程中，在追求最大船速的时候，如果船舶倾斜姿态过大，会采取松帆卸力降低倾斜幅度的方法，本实用新型模拟这一过程，在保持安全的前提下，也保持船舶速度的最优。2.本实用新型提出了提出控帆数据表，控帆所依据的数据有风舷角、风速、横倾角、纵倾角四种，因而装置对环境的“敏感度”增加，能够更好地适应环境并根据变化做出更精确的反应。控帆数据表中记录有航速数据，可以用来绘制帆船速度曲线图，这将会对帆船速度性能分析很有帮助。附图说明图1是本实用新型主帆自动控制装置的整体结构示意图。图2是本实用新型主帆自动控制装置的一个实施例的模块示意图。图3是本实用新型主帆自动控制装置的原理图。图4是本实用新型最大船速跟踪和自学习方法的流程图。图5是风舷角示意图。图6是帆角示意图。图7是帆船航向示意图。图8是本实用新型控帆数据表数据种类图。图9是最佳帆角和初始帆角的关系示意。具体实施方式以下将结合附图对本实用新型的帆船的结构作进一步的详细描述。下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。本实用新型的主帆自动控制装置包括：风速风向仪100、帆角检测仪101、姿态仪102、多普勒计程仪103、电机组104、控制器105、显示器106。在帆船桅杆顶端安装风向风速仪100，在帆船底部安装多普勒计程仪103，在横杆与桅杆之间安装帆角检测仪101，船舯安装姿态仪102，船舷上安装控制器105、显示器106和电机组104。风速风向仪100是测量风舷角和风速的传感仪器；多普勒计程仪103是测量船速的传感仪器；帆角检测仪101是测量帆船横杆位置的传感仪器；姿态仪102是一种能够检测船舶横倾和纵倾状态的传感仪器；控制器105用于传感器数据的读取、处理和存储,并向电机组104下达指令；电机组104执行传感器的指令使缭绳产生收或放的动作，从而实现自动调整横杆位置(即帆角)；显示器显示内容有：时间，风舷角、风速、航速、车钟位(L/M/H档位)、MST按钮等数据，L档位对应航速小于5节，M档位对应航速小于10节,H档位对应航速大于15节。只有按下MST按钮，控制器才会启动MST和控制程序自更新功能。图2是本实用新型主帆自动控制装置的一个实施例的模块示意图。传感模块201，包括风速风向仪100、帆角检测仪101、姿态仪102、多普勒计程仪103；控制模块202，包括控制器105、存储器等；运动模块203，包括电机组104、绞盘、撩绳等；人机交互模块204，包括显示器106、MST按钮等。图3是本实用新型主帆自动控制系统原理图，整个流程可以分为自动控制步骤和最大船速跟踪和自学习控制步骤两部分。自动控制步骤：风舷角由风速风向仪100实时检测，并转换成电压信号，经放大、滤波后，由A/D变换器将模拟量变换成数字量，将测得的数据传入控制器105进行分析并存储，在控制器105中根据控帆数据表找出风舷角对应的帆角，再经D/A变换成电流信号，控制电机组带动绞盘系撩绳组拉动主帆横杆调节帆角，同时帆角检测仪101实时测量帆角度数，并反馈回控制器105与控制器105中所设置的帆角期望值比较后产生偏差信号，再经D/A变换成电流信号，改变电流的大小控制电机组调节帆角，即使有外界干扰，也能达到控制帆角保持在期望值的目的；最大船速跟踪和自学习控制步骤：按下MST按钮后，将帆角检测仪101测得原始帆角θ和多普勒计程仪103测得的船速V传送到控制器105中存储，控制器105根据帆角θ计算出相应的控制量，经D/A变换成电流信号，控制电机组104带动绞盘系撩绳组来控制主帆横杆收帆，调节帆角为θ’，同时，多普勒计程仪103测量此时的船速v’，并反馈回控制器105，控制器105比较v’与v的大小关系：若v’较大，则进一步收帆，直到v’小于v，此时控制器105记录最优帆角θ，并存储风速风向仪100测量的风速、风舷角数据，姿态仪102测量的横倾角、纵倾角数据；若v’较小，则松帆，直到v’大于v，此时控制器105记录最优帆角θ，并存储风速风向仪100测量的风速、风舷角数据，姿态仪102测量的横倾角、纵倾角数据。整个过程中，姿态仪102始终实时检测船舶的横倾角和纵倾角，并将数据反馈回控制器105中，一旦有任何一个数值超出设定的极限值时，则执行松帆操作控制，直至横倾角或纵倾角不再超出极限值，此时记录最优帆角θ，并更新控帆数据表中风速、风舷角、横倾角、纵倾角的数据，至此实现了最大船速跟踪和自学习的控制。然后，转到自动控制步骤。图4是本实用新型最大船速跟踪和自学习方法的流程图。在检测到按下MST按钮后，记下当时的原始帆角θ、船速V，然后判断此时帆角和最优帆角的大小关系，收帆到θ’，比较此时v’和v的大小关系：如果v’较大，则进一步收帆，令θ＝θ’，v＝v’，直到v’小于v，记录此时风速、横倾角、纵倾角、帆角数据；如果v’较小，则开始收帆，令θ＝θ’，v＝v’，直到v’小于v，记录此时风速、横倾角、纵倾角、帆角数据。图5是风舷角示意图，视风向与船首线的夹角为风舷角，风舷角用Qw表示，右舷受风风舷角为正数，左舷受风风舷角为负数。图6是帆角示意图，主帆横杆与船首向反方向的角度称为帆角，帆角用θ表示，帆在右舷帆角为正，帆在左舷帆角为负。图7是帆船航向示意图，正逆风左右各约45°为无法航行区。右近风风舷角为45°，帆角为0°；右正横风风舷角为90°，帆角为-45°；右偏顺风风舷角为135°，帆角为-67.5°；正顺风临界状态风舷角为±180°，帆角为左偏顺风风舷角为-135°，帆角为67.5°；左正横风风舷角为-90°，帆角为45°；左近风风舷角为-45°，帆角为0°；图8是本实用新型控帆数据表数据种类图。风舷角、横倾角、纵倾角和帆角的默认精度为1°，风速默认精度为1m/s。适航风速默认极限值为18m/s，横倾默认极限值为左右各45°，纵倾默认极限值为前后各20°。对应的，每一个风舷角对应18个风速数据，每一个风速对应90个横倾数据，每一个横倾角对应40个纵倾角数据，每一个纵倾角对应一个帆角数据。风舷角数据有360个；风速数据为6480个，横倾角数据为583200个，纵倾角数据为23328000个，纵倾角与帆角一一对应。以上精度、极限值等数据可以通过人机交互界面进行自定义设置，相对应的每层数据量也会发生变化。图9是最佳帆角和初始帆角的关系示意，θh是最佳帆角，对应纵轴上速度的最大值，初始帆角可能比θh大，也可能比θh小，根据图4中的最大船速跟踪和自学习方法来逼近最佳帆角。如图1与图2所示，一种主帆自动控制装置的组成部分以及连接关系：风速风向仪100、多普勒计程仪103、帆角检测仪101、姿态仪102、控制器105、电机组104、显示器106。在帆船桅杆顶端安装风向风速仪，在帆船底部安装多普勒计程仪103，在横杆与桅杆之间安装帆角检测仪101，船舯安装姿态仪102，船舷上安装控制器105、显示器106和电机组104。风速风向仪100，是一种能测量风舷角和风速的传感仪器；多普勒计程仪103是一种能够测量船速的传感仪器；帆角检测仪101是一种能够测量帆船横杆位置的传感仪器；姿态仪102是一种能够检测船舶横倾和纵倾状态的传感仪器；控制器105用于传感器数据的读取、处理和存储,并向电机组104下达指令，所述控制系统的中央控制器105为微型计算机，包括CPU、ROM、RAM，也包含用于帆角维持的PID控制器105；电机组104能够执行传感器的指令使缭绳产生收或放的动作，从而实现自动调整横杆位置(即帆角)的功能；显示器106显示内容有：时间，航向、航速、航程、风舷角、风速、坐标、蓄电池组电量等；必要按钮：MST按钮、L/M/H档位(L档位对应航速小于5节，M档位对应航速小于10节,H档位对应航速大于15节)。另外，本实用新型装置还留有其它数据接口，比如可以读取用于定位的GPS或北斗系统的数据，也可以读取AIS接收机的数据，并在人机交互面的显示屏上显示。人机交互面设置帆的两种控制模式，帆自动控制模式和帆手动控制模式。帆手动控制模式时和常规帆船操纵帆船相同。自动控制模式时，驾驶员仅需要操舵控制航向，主帆由本实用新型的装置自动控制。两种模式的设置即可以满足人驾驶帆船的乐趣，又可以在长距离巡航时减轻驾驶员劳动强度。使用最大船速跟踪和自学习方法的主帆自动控制装置的实施例控制步骤如下：步骤一：检测是否启动帆自动控制模式，如果是，转到下一步。否则帆自动控制系统不启动。步骤二：通过人机交互界面设置控制器105处理风速风向仪100、多普勒计程仪103、帆角检测仪101、姿态仪102数据的精度、极限值。步骤三：风速风向仪100、多普勒计程仪103、帆角检测仪101、姿态仪102采集数据；步骤四：控制器105读取传感器数据，根据控帆数据表处理并输出控制指令到电机组104；步骤五：电机组104根据控制器105的控制指令通过绞盘、缭绳控制主帆，使帆角达到指定角度；步骤六：检测船舶倾斜姿态是否在设定的安全范围内，否则松帆到安全值。步骤七：通过PID技术进行帆角维持。如果检测到开启帆手动模式，则关闭帆自自动控制模式，结束帆自动控制步骤。步骤八：如果检测到风舷角、风速、横倾角、纵倾角的改变，转到步骤三。步骤九：如果检测到按下MST按钮，开始最大船速跟踪和自学习步骤。步骤十：判断此时帆角和最优帆角的大小关系。记录帆角θ和船速v，收帆到θ’，检测此时v’，比较v和v’的大小关系，有两种结果。步骤十一：如果v’＞v，说明此时帆角比最优帆角大，应该开始收帆，转到步骤十三。否则进行步骤十二。步骤十二：v’＜v，说明此时帆角比最优帆角小，应该开始松帆，转到步骤十四。步骤十三：使帆角向最优帆角靠近。收帆到θ’，测船速v’，判断v’＞v，如果是，则θ＝θ’。重复步骤十三，直到v’＜v。如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值。转到步骤十五。步骤十四：使帆角向最优帆角靠近。松帆到θ’，测船速v’，判断v’＞v，如果是，则θ＝θ’。重复步骤十四，直到v’＜v。如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值。转到步骤十五。步骤十五：记录此时风速、横倾角、纵倾角和航速数据，此时系统自动跟踪到最大船速，结束最大船速跟踪和自学习步骤，转到步骤七。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换(比如替换为其它具有相同功能的传感器)和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 2 3