船舶推进控制系统和方法与流程

1.本发明总体上涉及用于推进船舶的方法和系统，更具体地说，涉及利用机械转向或其他非线控转向的转向布置提供横向和旋转推进的系统和方法。


背景技术：

2.以下美国专利通过引用整体结合于此：
3.本领域中的技术人员熟知许多不同类型的船舶推进装置。例如，本领域中的技术人员熟知附接到船舶的尾板上的舷外马达、从船舶的尾板沿向后的方向延伸的船尾驱动系统、船头助推器和其他对接助推器。除了船头助推器之外，与船舶结合使用的某些类型的对接助推器系统包含多个推进器，这些推进器响应于由船舶操作者输入的操纵杆操纵或其他控制。
4.美国专利no.6,234,853公开了一种对接系统，该对接系统在发动机控制单元(该发动机控制单元接收来自操纵杆或按钮装置的命令信号)的控制下利用船舶的船舶推进单元以响应来自船舶操作者的机动命令。除了通常用于在正常条件下操作船舶的推进装置外，该对接系统不需要额外的推进装置。本发明的对接或机动系统使用两个船舶推进单元以响应操作者的命令信号，并且允许操作者结合顺时针或逆时针旋转命令来选择向前或向后命令，或者相互结合或单独选择。
5.美国专利no.6,402,577公开了一种液压转向系统，其中转向致动器是船舶推进系统的支撑结构的一体部分。转向臂完全容纳在船舶推进系统的支撑结构内，并且围绕其转向轴线设置。转向臂的延伸部延伸到滑动接头中，该滑动接头具有线性部件和旋转部件，该旋转部件允许转向臂的延伸部相对于转向致动器的可移动的第二部分移动。转向致动器的可移动的第二部分在形成于转向致动器的第一部分中的缸腔内线性移动。
6.美国专利no.6,406,340公开了一种液压转向组件，该液压转向组件向双船用舷外推进单元的舵柄臂施加力，并且使推进单元围绕转向轴线在中心位置和中心位置各侧的转舵位置之间旋转。每个推进单元被支撑用于围绕倾斜轴线进行弧形移动，该倾斜轴线通常垂直于转向轴线。存在一种安装在第一推进单元上的液压转向设备，该液压转向设备包括液压缸，该液压缸可枢转地连接到一构件上，该构件枢转地安装在第一推进单元的舵柄臂上。系杆枢转地连接到转向设备，并且枢转地连接到第二推进单元的舵柄臂。例如，系杆可以通过球接头枢转地连接到转向设备，该球接头通过随构件移动的支架连接到转向设备。
7.美国专利no.7,398,742公开了一种转向辅助系统，该转向辅助系统通过两个或更多个船舶推进装置提供不同的推力，以便在船舶上形成更有效的转动力矩。不同的推力可以根据由船舶的操作者指令的转弯的大小来选择，此外，可以根据在接收到转弯命令时船舶的速度来选择。
8.美国专利no.7,467,595公开了一种用于控制船舶移动的方法，该方法旋转一对船舶推进装置中的一个，并且控制两个船舶推进装置的推力大小。提供操纵杆以允许船舶的操作者选择左舷
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右舷、向前
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向后和旋转方向命令，这些命令由控制器解释，然后该控制器
改变一对船舶推进装置中的至少一个相对于其转向轴线的角位置。
9.美国专利no.9,039,468公开了一种控制船舶的速度的系统，该系统包括产生第一和第二推力以推进船舶的第一和第二推进装置。控制电路控制推进装置在推力平行的对准位置与推力不平行的非对准位置之间的取向。第一用户输入装置在空挡位置和非空挡止动位置之间是可移动的。当第一用户输入装置处于止动位置并且推进装置处于对准位置时，推力以第一速度在期望的方向上推进船舶。当第二用户输入装置被致动而第一用户输入装置处于止动位置时，推进装置移动到未对准位置中，并且在不改变推力的情况下以第二降低的速度在期望的方向上推进船舶。
10.美国专利no.10,259,555公开了一种用于控制靠近目标的船舶的移动的方法，该方法包括从操纵杆接受表示船舶的期望移动的信号。传感器感测目标和船舶之间的最短距离以及目标相对于船舶的方向。控制器将船舶的期望移动与最短距离和方向进行比较。基于该比较，控制器选择是否命令船舶推进系统产生推力以实现期望的移动，或者可选地，是否命令船舶推进系统产生推力以实现修正的移动，该修正的移动确保船舶维持距目标的至少预定距离。然后，船舶推进系统产生推力，以实现如所指令的期望的移动或修正的移动。
11.美国专利no.8,512,085公开了一种用于船舶的系杆设备，该设备具有至少第一和第二船舶驱动器。系杆设备包括连杆，该连杆在几何结构上被构造成将第一和第二船舶驱动器连接在一起，使得在船舶的转弯移动期间，第一和第二船舶驱动器相应地以不同的角度围绕各自的第一和第二垂直转向轴线转向。


技术实现要素：

12.提供本概述是为了介绍下面在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述不旨在识别要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制要求保护的主题的范围。
13.在一个实施例中，船舶推进系统包括至少两个平行推进装置和至少一个驱动位置传感器，每个平行推进装置产生向前和向后的推力，其中，平行推进装置定向成使得它们的推力彼此平行，驱动位置传感器被配置成感测平行推进装置的驱动角。横向助推器被配置成产生右舷和左舷推力以推进船舶。用户输入装置可由用户操作，以至少提供横向推力命令以命令船舶横向移动和旋转推力命令以命令船舶旋转移动。控制器被配置成基于横向转向输入和/或旋转转向输入以及驱动角来控制平行推进装置和横向助推器，以便在不控制驱动角的情况下提供由用户命令的横向移动和/或旋转移动。
14.控制船舶的推进的方法的一个实施例包括接收命令船舶横向移动的横向转向输入和命令船舶旋转移动的旋转转向输入中的至少一个，然后感测船舶上的一组平行推进装置的驱动角和船舶的偏航率中的至少一个。然后利用驱动角和/或偏航率来确定该组平行推进装置中的每个推进装置的推力大小和推力的向前或向后方向，并且确定用于横向助推器的启动命令和推力的右舷或左舷方向，以便在不控制该组平行推进装置的驱动角的情况下实现由用户命令的横向移动和/或旋转移动。
15.从以下结合附图的描述中，本发明的各种其他特征、目标和优点将变得显而易见。
附图说明
16.参考以下附图描述本公开。
17.图1是根据本公开的带有推进系统的一个实施例的船舶的示意图。
18.图2a
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2e是船舶的各种移动的示意图。
19.图3示出了示例性操纵杆用户输入装置。
20.图4示出了示例性键盘用户输入装置。
21.图5a
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5f描绘了船舶上的各种推力矢量，以实现各种船只移动。
22.图6
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图8描绘了根据本公开的实施例的控制船舶的推进的方法。
具体实施方式
23.发明人已经认识到需要一种船舶控制系统，该船舶控制系统为非线控转向的船舶提供横向和旋转的用户控制(例如由标准操纵杆系统提供的用户控制)，其中，方向盘经由传统的转向系统机械地连接到安装在船舶的船尾的推进装置。例如，在配置成用于高速应用的船舶(例如赛艇)上，机械转向的推进装置通常系在一起，例如用系杆。这在高负载条件和高船舶速度下提供了稳健的转向致动和控制。作为另一个示例，成本较低的船舶通常实施传统的机械转向系统，其中，推进装置机械地连接到方向盘并且共同转向，并且推进装置通常与系杆连接。在这两种应用中，以及其他非线控转向的转向和推进系统中，推进装置维持平行，使得实现的推力彼此平行。这些现有系统不提供横向推力控制或自动旋转推力控制，其中用户可以指示旋转移动，而不需要任何向前或向后的移动。目前没有操纵杆或其他横向推力控制元件可用于非线控转向系统。目前可用的操纵杆系统需要线控转向控制，其中每个推进装置可以被单独转向，并且推进装置可以以彼此不平行的角度放置。
24.基于相关领域中的前述问题和挑战，发明人开发了所公开的推进系统和方法，其允许例如经由操纵杆在机械转向和其他非线控转向的船舶上进行横向和旋转转向控制。所公开的系统和方法能够通过用户实现横向和旋转转向控制，而无需控制或调节推进装置相对于船舶的角度，并且因此可以在带有推进装置的传统机械转向的船舶上实施。在一个实施例中，所公开的系统包括一组两个或更多个平行推进装置和传感器系统，每个平行推进装置产生向前和向后的推力，传感器系统被配置成确定平行推进装置的驱动角。在一些实施例中，该系统可以进一步包括横向助推器，该横向助推器被配置成在右舷方向和左舷方向中的每个上产生横向推力。用户输入装置(例如操纵杆或键盘)可由用户手动操作，以至少提供横向和旋转的转向输入来命令船舶的相应移动，并且控制器被配置成控制平行推进装置和/或横向助推器的推力的大小和方向，以实现命令的移动，而不需要对推进装置进行任何转向控制。
25.图1是装备有推进系统100的船舶2的示意图，该推进系统包括附接到尾板24并且平行布置的两个推进装置21和22。推进装置的数量是示例性的，按照本公开，本领域中的普通技术人员将理解的是，在所公开的系统和方法中可以利用任意数量的两个或更多个推进装置。在所描绘的示例中，推进装置21和22经由系杆23连接并且保持平行。系杆在许多船舶应用(包括高速赛艇)中是传统的，其通常在发动机之间使用系杆以在高速运行期间助于分配转向载荷。系杆可以分别在平行推进装置21和22的转向轴线31和32的位置处附接到推进装置。转向轴线31和32由尺寸y分开，并且与转弯中心30(cot)相距距离x，该转弯中心也可以是有效重心(cog)。通过使第一和第二推进装置围绕它们各自的转向轴线31和32旋转来操纵船舶10。平行推进装置21和22响应于操作者对方向盘12的操纵而旋转，该方向盘机械
地连接到转向致动器14，该转向致动器旋转推进装置21和22，如传统的那样。用于将方向盘12的旋转移动传递到转向致动器14的机械连接系统13是众所周知的，例如转向连杆系统和/或推/拉索系统，其可以包括液压致动的转向系统，该液压致动的转向系统包括液压转向致动器14。旋转平行推进装置21和22并且实现推力，从而致使船舶10围绕有效的cot 30旋转。
26.推进系统100还包括用户输入装置40(例如操纵杆或键盘)，该用户输入装置可由用户操作以至少提供用于命令船舶的横向移动的横向转向输入和用于命令船舶10的旋转移动的旋转转向输入。图2a
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2e示出了可以经由用户输入装置40命令的示例性船只移动。在图2a中，船只10显示为在左舷方向46和右舷方向48上横向移动，没有任何向前或向后的运动，并且没有任何围绕其cot 30的旋转。图2b显示了船只10在向前50方向和向后52方向上移动。图2c显示了船只10的向前和右舷运动的组合，其中向前的移动由虚线箭头56表示，右舷的移动由虚线箭头58表示。合成运动矢量60使船只在向前和右舷的方向上移动，而没有任何旋转。图2d示出了船舶10围绕cot 30的顺时针旋转62，没有任何平移移动，包括任何向前/向后的移动或横向移动。图2e示出了旋转62和平移60的组合，其在向前的方向和右舷的方向上。
27.所公开的系统和方法能够实现船舶的横向和旋转移动，例如图2a
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2e中所示，而不需要推进装置21和22的转向控制，所述推进装置通过方向盘12机械转向。因此，所公开的系统和方法控制每个平行推进装置的推力的大小和推力的向前或向后方向，而无需调节或以其他方式控制该组平行推进装置的驱动角。
28.在用户输入装置40处设置的用户转向输入在控制器34处被接收，该控制器分别通信地连接到每个推进装置21和22的发动机控制模块(ecm)41和42。因此，控制器34可以向每个ecm 41和42传送指令，以实现命令的推力大小和命令的推力方向(向前或向后)，这对于在用户输入装置40处实现命令的横向和/或旋转转向输入是必要的。在某些实施例中，系统100包括横向助推器15，该横向推进器被配置成在右舷和左舷方向上在船只10上实现横向推力。在所描绘的示例中，横向助推器15是定位在船只10的船头区域11处并且被配置成在船头处实现横向推力的船头助推器。船头助推器对本领域的技术人员来说是众所周知的，配置成在船舶上实现横向推力的对接助推器系统的其他类型和位置也是如此，该对接助推器系统可以放置在船只10上的除船头11之外的其他位置。鉴于本公开，本领域的普通技术人员将会理解，所公开的推进系统100可以包括横向助推器15的其他类型和位置，其可以是船头助推器的替代或补充。
29.横向助推器15包括风扇16或螺旋桨，其通过双向马达17在向前或向后的方向上旋转，以实现在右舷和左舷方向上的横向推力。控制器34可以通信地连接到用于横向助推器15的控制器18，以便控制横向助推器15的启动和推力方向。因此，在一个实施例中，旋转是打开或关闭的，并沿着顺时针和逆时针方向以单一速度旋转。在其他实施例中，横向助推器15是变速助推器，其中，马达17可控制为使风扇16以两种或更多种速度旋转。例如，马达17可以是无刷dc马达，其被配置为用于在顺时针和逆时针旋转方向上风扇16的可变多速控制。
30.所公开的系统和方法利用了推进装置21和22的平行性。通过推进装置中的一个实现向前的推力，另一个实现向后的推力，其中，推力矢量是平行的并且大小相等，平移力将
彼此耦合和抵消。耦合的力将围绕cot 30施加扭矩。如果推进装置的驱动角是已知的，那么可以执行矢量分析，以便实现任何旋转移动，并且在结合横向助推器15的实施例中，实现在左舷方向46和右舷方向48上的横向移动，以及向前方向50和向后方向52的移动。在某些实施例中，系统100可以被配置成在结合向前/向后和左舷/右舷推力的其他平移方向上提供平移移动。
31.图3和图4举例说明了两种可能类型的用户输入设备40。图3描绘了众所周知的操纵杆装置，其包括基座68和适于通过操作者移动的可移动手柄66。通常，手柄可以左右、前后移动，以及相对于基座68旋转，以便为推进系统提供对应的移动命令。操纵杆推力控制的操作对于本领域的技术人员来说是众所周知的，并且也在通过引用结合于此的参考文献中进行了描述。图4描述了替代的用户输入装置40b，其是带有与右、左、前、后和旋转移动方向中的每一个相关联的按钮64的键盘。因此，用户可以按下向前按钮64a，以便提供向前推力命令使船舶向前移动，并且用户可以按下键64b以输入横向推力命令来命令船只10的横向移动。类似地，用户可以按下顺时针旋转键64c以输入顺时针旋转推力命令，来命令船舶10的顺时针旋转移动。键盘40b上的其他键的操作类似。
32.所公开的推进系统100能够进行操纵杆控制，或者由另一个用户输入装置进行控制，该用户输入装置可操作为向机械联接和转向的驱动器提供横向和旋转推力控制。因此，不需要线控转向，并且控制器34被配置为利用船用驱动器的当前位置来计算推力大小和方向，无论它是什么。系统100被配置为利用推进装置21和22的平行性，使得两个或更多个推进装置的推力可以相互抵消，以便实现期望的合成的旋转和平移推力。在一个具有横向助推器15的实施例中，推进系统100可以在横向移动方向46和48以及向前和向后移动方向50和52上实现横向移动，如图2a和2b中显示。
33.图5a
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5f举例说明了推进装置21和22与横向助推器15之间的这种力耦合控制，以便实现船只的旋转和平移移动，而不改变或控制推进装置21和22的驱动角。控制器34被配置成测量平行推进装置21和22的驱动角θ，或者另外地确定来自推进装置21和22的推力的旋转效果。在一个实施例中，驱动位置传感器44(图1)被配置成感测平行推进装置21和22中的至少一个的驱动角。考虑到推进装置21和22维持平行，例如通过系杆23，则仅一个推进装置21、22的驱动角需要被感测。然而，在其他实施例中，每个推进装置21和22可以装备有位置传感器，以便在故障的情况下提供冗余。由位置传感器感测的驱动角提供了关于推进装置的驱动角或转向位置的信息，该驱动角或转向位置通过操作者经由方向盘12手动控制，并且不由控制器34控制。基于驱动角，控制器34可以调节平行推进装置21和22和/或横向助推器15的推力的比例和方向。如果驱动角θ改变，则控制器34将调节推力大小和方向，以适应由驱动位置传感器44感测的新转向位置。
34.在另一个实施例中，控制器34可以被配置为利用偏航率(例如通过惯性测量单元26或能够测量船舶10的偏航的其他旋转传感器)作为控制推力大小和方向的基础。可以包括偏航率传感器，例如惯性测量单元(imu)，来代替驱动位置传感器44。在这种实施例中，控制器34从imu 26接收偏航位置和/或偏航率，并且确定推力大小，且基于偏航率命令为每个推进装置21和22选择推力的向前或向后方向。在一个实施例中，控制器34基于感测到的偏航率来估计平行推进装置的驱动角θ，并且相应地计算推力大小和方向。例如，控制器34可以从ecm 41和42接收发动机速度和/或油门位置，并且可以基于偏航率和推力大小相关值
(例如rpm或油门位置)来估计驱动角。
35.感测的偏航率还可以用作用于调节推力命令的反馈控制。即，控制器34可以确定与来自用户输入装置40的横向和/或旋转推力命令相关联的预期偏航率，并且可以将来自imu 26的测量的偏航率与预期偏航率进行比较，并且调节推力命令，以便减小测量的偏航率和预期偏航率之间的差异。这种反馈控制可以在具有或不具有驱动位置传感器44的实施例中利用。在这种实施例中，推进系统100包括驱动位置传感器44和imu 26或其他偏航率传感器。
36.图5a
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5f描绘了当驱动器处于驱动角θ时实现旋转和平移运动的示例性推力场景。在图5a中，推进装置21和22实现具有相等大小的相反的推力，以便实现船只10的顺时针旋转移动。通过法向矢量分析，将来自船舶船尾上的中心线33的左舷侧和右舷侧上的推进装置的力矢量与船头助推器15所利用的推力矢量相加，以便引起在用户输入装置40处所指令的期望的旋转和/或平移移动。即，用于第一推进装置21的推力矢量f1，或者中心线33的左舷侧上的推进装置的总推力，处于向前的推力方向，以实现船舶的向前移动。右舷侧推进装置22的推力矢量f2，或者船舶10的中心线33的右舷侧上的推进装置的总和，处于向后的推力方向，以便实现船舶10的向后移动。向前推力矢量f1和向后推力矢量f2在大小上相等，使得平移力抵消，并且仅实现合成力矩，以便使船舶在顺时针旋转方向上转弯。这里，船头助推器15不运行并且保持在关闭状态。
37.图5b描绘了力矢量f1至f3，其被实现以产生船只10在右舷方向上的横向移动。这里，横向助推器15被启动，以便在船舶的船头处实现右舷推力矢量f3。除了右舷方向上的横向力之外，船头助推器15的推力还产生了围绕转弯中心30的顺时针力矩。通过利用推进装置21和22实现相等并且相反的力矩来抵消由船头助推器15引起的力矩，使得产生的力矩等于零，并且仅保持横向力f3，使得船舶10在右舷方向上移动。
38.图5c描绘了当推进装置21和22处于角度θ时用于实现船舶10向前移动的力矢量。这里，船头助推器15在左舷方向上实现推力f3，该推力产生围绕cot 30的逆时针力矩。逆时针力矩被船舶10的船尾处的推进装置的推力f1和f2抵消，其中，左舷侧推进装置实现向前的推力f1，右舷侧推进装置实现在向后方向上的推力f2，以产生顺时针力矩。然而，向前推力矢量f1的大小大于向后推力矢量，并且合成的总推力施加在船舶10上，以便使其向前移动。
39.图5d描绘了相反的场景，该场景在船舶10上实现总推力，以便使其在向后的方向上移动。船头助推器15被命令在左舷方向上施加推力f3，该推力产生围绕转弯中心30的力矩，该力矩被船只10的船尾处的推进装置的推力f1和f2抵消。这里，在向后方向上的推力矢量f2的大小大于在向前方向上的推力矢量f1，因此实现了总推力以使船舶在向后方向上移动。
40.鉴于本公开，本领域中的普通技术人员将会认识到，可以实现推力的其他组合，以便完成由用户命令的总推力。图5e和5f分别说明了用于实现向前和向后推力的附加示例性推力组合。在图5e中，两个推进装置都被控制以实现相等的向前推力f1和f2，并且船头助推器15被命令以在右舷方向上施加推力f3，其产生了围绕转弯中心30的力矩，该力矩抵消了由推力f1和f2产生的力矩。在图5f中，两个推进装置都被控制以实现相等的向后推力f1和f2，并且船头助推器15被命令以在左舷方向上施加推力f3，其产生了围绕转弯中心30的力
矩，该力矩抵消推力f1和f2。
41.图6
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图8描绘了根据本公开的实施例的用于控制船舶推进的方法200或其部分。在图6中，在步骤202，在用户输入装置处，例如在操纵杆处，接收到横向或旋转推力命令。在步骤204处，感测平行推进装置的驱动角和/或船舶的偏航率，并且在步骤206和208处使用该信息来确定推力命令。在没有提供驱动位置传感器44并且只有来自另一种类型的运动传感器的imu数据或偏航率信息是可用的实施例中，如上所述，系统可以被配置成基于偏航率来估计驱动角。例如，可以基于每个ecm 41和42的发动机速度和/或油门位置以及偏航率来估计驱动角θ。在步骤206处，确定用于横向助推器的启动命令和右舷或左舷方向命令，并且在步骤208处，确定用于每个平行推进装置的推力大小和向前或向后方向命令。然后，在步骤210处，操作横向助推器和推进装置，以实现所命令的移动。
42.图7描述了使用感测到的偏航率作为反馈以控制推力的步骤。在步骤220处，基于横向和/或旋转命令确定预期偏航率。例如，查找表或公式可以用于将操纵杆或键盘输入与偏航率相关联。然后，在步骤222处，将测量的偏航率(例如通过imu测量的偏航率)与预期的偏航率进行比较。在步骤224处，如果测量的偏航率和预期的偏航率之间的差异超过阈值，则重新确定推进装置和/或横向助推器的推力大小和/或推力方向，以便使测量的偏航率和预期的偏航率之间的差异最小化。
43.图8描绘了使用驱动位置信息控制横向助推器中的平行推进装置的方法200步骤。在230处，经由用户输入装置接收横向或旋转命令。在232处，通过驱动位置传感器44感测驱动角θ，该驱动位置传感器被配置成感测船舶的尾板上的至少一个平行推进装置的角位置。然后，在步骤234处，如上所述，基于测量的驱动角，确定用于每个平行推进装置以及助推器的推力大小和方向。然后在步骤236处实现推力。如步骤238处所示，如果探测到驱动角的变化，则在步骤240处，基于变化的驱动角来重新确定用于推进装置和横向助推器的推力大小和方向。然后在步骤242处实现新的推力。因此，如果平行推进装置21和22的驱动角θ或转向位置由于用户在方向盘12处提供转向输入而改变，则推力矢量计算将被重新执行，以便实现适于保持船舶的命令运动的推力。
44.该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使本领域中的任何技术人员能够制造和使用本发明。为了简洁、清楚和理解，使用了某些术语。除了现有技术的要求之外，没有不必要的限制可从中推断出来，因为这些术语仅用于描述性目的，并且旨在被广泛地解释。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域中的技术人员想到的其他示例。如果这种其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的特征或结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同特征或结构元件，则这种其他示例是旨在权利要求的范围内的。