船舶縱向動態(tài)減搖方法與裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船舶縱向動態(tài)減搖方法與相應的船舶縱向動態(tài)減搖裝置。該方法包括如下步驟：1)采集船尾縱向旋轉的加速度或角速度，進一步換算成船體的縱搖角；2)當船體達到最大縱搖角時，調整水翼的翼片角度為γ。該裝置包括水翼、支撐架、驅動裝置、傳動裝置和控制系統(tǒng)；支撐架的前端固定在船尾底板上，水翼通過所述轉軸鉸接在支撐架的后端；驅動裝置通過傳動裝置與水翼相連；控制系統(tǒng)包括控制器、船體縱搖傳感器和水翼角度傳感器；控制器的控制信號輸出端與驅動裝置的控制信號輸入端相連，船體縱搖傳感器和水翼角度傳感器的測量信號輸出端分別與控制器的測量信號輸入端相連。該方法和裝置可實現(xiàn)船體的動態(tài)縱向減搖，減搖效率高。
【專利說明】
船舶縱向動態(tài)減搖方法與裝置
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種船舶縱向減搖系統(tǒng)，特別是指一種船舶縱向動態(tài)減搖方法與裝 置。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們越來越注重出行的安全性與舒適性?，F(xiàn)今，航空與 陸路方面的出行舒適度已得到很大的改善，而在海洋航行領域，因受海洋風浪的影響，船舶 極易在航行過程中發(fā)生船體傾斜與搖擺。改善船舶航行狀態(tài)、提高遠洋航行舒適度也因此 越來越受到人們的關注。
[0003] 面前，船舶在橫向減搖方面的研究技術已經(jīng)十分成熟，而在縱向減搖方面的研究 卻極少有成果，國內(nèi)在縱向減搖方面的研究也較為空白。因此，發(fā)展縱向減搖技術在改善船 體縱搖、提高船舶舒適度上具有很大的研究前景。
[0004] 現(xiàn)有的縱向減搖方式多為被動式，能夠在一定程度上減小船體縱搖，但同時也存 在一些問題。其減搖效果較差，減搖效率低，而且還會在一定程度上增加船體的航行阻力， 降低航速。另外，現(xiàn)有減搖裝置的結構較為復雜，布置困難，甚至由于增大了船體振蕩的可 能性反而降低了船舶航行的安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠實時減小船體縱傾幅度、減搖效率高的船舶縱向 動態(tài)減搖方法，以及采用該方法的船舶縱向減搖裝置。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計的船舶縱向動態(tài)減搖方法，包括如下步驟：
[0007] 1)通過船體縱搖傳感器采集船尾縱向旋轉的加速度或角速度，進一步換算成船體 的縱搖角；
[0008] 2)當船體達到最大縱搖角時，通過驅動裝置調整水翼(5)的翼片角度為γ，當縱搖 角為最大正值時，γ取負值;當縱搖角為最大負值時，γ取正值。γ的正負代表方向，負值代 表水翼指向船舶坐標系的X軸下方，正直代表水翼指向船舶坐標系的X軸上方，γ的絕對值 代表大小，最大負值是指絕對值最大的負值。
[0009] 優(yōu)選地，步驟2)中，當縱搖角為最大正值時，γ的取值范圍為+5°~+30° ;當縱搖角 為最大負值時，γ的取值范圍為調整范圍-30°~-5°。
[0010] 優(yōu)選地，步驟2)中，當縱搖角為最大正值時，γ的取值范圍為+20°~+30° ;當縱搖 角為最大負值時，γ的取值范圍為調整范圍-30°~-20°。
[0011] 優(yōu)選地，步驟2)中，以最大縱搖角為輸出，以γ為輸入建立閉環(huán)控制，自動控制水 翼(5)的翼片角度，使船體的最大縱搖角不斷減小。最大縱搖角可通過對角速度傳感器測得 的縱搖角速度進行積分求得。當縱搖角速度為〇時，縱傾角幅值達到最大值，其正負可以通 過縱搖角速度的變化趨勢（即微分的正負)來判斷。
[0012] 優(yōu)選地，步驟2)中，水翼的翼片角度γ (t時刻)通過如下公式確定：
[0013]
[0014] 工ντ，
[0015] 0:是1時刻的船體縱搖角，由傳感器測量得到；
[0016] If(Q1)是t時刻的靜水回復力矩，由以下公式確定:?·(θ〇= Δ XHXsin91，其中Δ是 船舶排水量，H是縱穩(wěn)性高，由船體要求得到；
[0017] /的)是t時刻的阻尼力矩，由以下公式確定
實中Igy是水
線面對通過重心橫軸的縱向慣性矩，由船體要求得到，f為常數(shù)，具體應用實例取f = 0.18計 算；
[0018] /(D是t時刻的慣性力矩，由以下公式確定： yy是船 體本身對通過重心橫軸的轉動慣量，Jy/是船體對通過重心橫軸的附加轉動慣量，由船體要 求得到；
[0019] Θ是〇時刻(任取某時刻為〇時刻)的船體縱搖角，由傳感器測量得到，Θ為初始值；
[0020] f(0)是〇時刻的靜水回復力矩，由以下公式確定:f(0)=A XHXsin0，其中Δ是船 舶排水量，H是縱穩(wěn)性高，由船體要求得到；
[0021] /(句是0時刻的阻尼力矩，由以下公式確定 其中1^是水線面 對通過重心橫軸的縱向慣性矩，由船體要求得到，f為常系數(shù)，具體應用實例取f = 0.18計 算；
[0022] /(I)是0時刻的慣性力矩，由以下公式確定
Jyy是船體本 身對通過重心橫軸的轉動慣量，Jyy'是船體對通過重心橫軸的附加轉動慣量，由船體要求得 到；
[0023] P是海水密度，通常取值為1 · 025g/cm3;
[0024] V是船航速，由船舶需求得到；
[0025] A是水翼面積，對于正面為矩形的翼片由以下公式確定:A = bl，b為水翼弦長，1為 水翼展長；
[0026] d是水翼中心到船體漂心的距離，近似等于垂線間長的一半，即d = 0.5LPP，LPP為船 體垂線間長；
[0027] δ是水翼轉角與升力系數(shù)間的關系系數(shù)，由具體翼型得到；
[0028] 該方程建立起丫與0:的關系，即為達到一定的船體縱搖角0:，需要水翼轉動多少角 度γ。
[0029] 本發(fā)明同時提供了一種為實現(xiàn)上述方法而設計的船舶縱向動態(tài)減搖裝置，安裝在 船體的船尾底板上，其包括水翼、支撐架、驅動裝置、傳動裝置和控制系統(tǒng);所述支撐架的前 端固定在船尾底板上，所述支撐架的后端沿船舶橫向設置有轉軸，所述水翼通過所述轉軸 鉸接在支撐架的后端;所述驅動裝置安裝在船體尾部的船艙內(nèi)，通過傳動裝置與水翼相連， 驅動水翼繞所述轉軸旋轉;所述控制系統(tǒng)包括控制器、船體縱搖傳感器和水翼角度傳感器， 所述船體縱搖傳感器用于監(jiān)測船體的縱向搖動角速度或加速度，所述水翼角度傳感器用于 監(jiān)測水翼的旋轉角度，所述控制器的控制信號輸出端與驅動裝置的控制信號輸入端相連， 所述船體縱搖傳感器的測量信號輸出端和水翼角度傳感器的測量信號輸出端分別與控制 器的測量信號輸入端相連。
[0030] 優(yōu)選地，所述驅動裝置為步進電機(含驅動系統(tǒng))或伺服電機(含伺服系統(tǒng)）。
[0031] 優(yōu)選地，所述傳動裝置包括第一傳動桿、第二傳動桿和第三傳動桿;所述第二傳動 桿從設置在船尾底板上的開孔中穿過，其兩端分別與第一傳動桿的一端、第三傳動桿的一 端鉸鏈連接;所述第一傳動桿的另一端鉸接在水翼上表面遠離所述轉軸的位置處;所述第 三傳動桿的另一端與所述驅動裝置的輸出軸相連。
[0032] 優(yōu)選地，所述水翼的翼片數(shù)量為兩個，所述傳動裝置與驅動裝置為兩組，所述水翼 的每個翼片分別通過一個傳動裝置與一個驅動裝置相連。
[0033] 優(yōu)選地，所述船體縱搖傳感器為加速度計或角速度傳感器。進一步地，所述船體縱 搖傳感器為六軸陀螺儀。
[0034]優(yōu)選地，所述控制器為單片機(即M⑶）。
[0035]本發(fā)明的有益效果如下：
[0036] 1)所提供的船舶縱向動態(tài)減搖方法，根據(jù)船尾縱向旋轉的加速度或角速度，對水 翼傾角進行實時控制，使水翼升力與船尾縱向旋轉運動的加速度方向相反，從而實時減小 船體的縱傾幅度，實現(xiàn)船體動態(tài)縱向減搖，減搖效率高，提高了船舶的舒適性與安全性。
[0037] 2)所提供的船舶縱向動態(tài)減搖裝置采用本發(fā)明提供的船舶縱向動態(tài)減搖方法進 行縱向減搖，減搖效率高，重量小、結構簡單、安裝簡易。
【附圖說明】
[0038] 圖1是本發(fā)明船舶縱向動態(tài)減搖裝置的結構示意圖。
[0039]圖2是圖1中水翼的翼片角度為-30°時的狀態(tài)示意圖。
[0040]圖3是圖1中水翼的翼片角度為+30°時的狀態(tài)示意圖。
[0041 ]圖4是圖1中水翼的翼片角度為0°時的狀態(tài)示意圖。
[0042]圖5是圖1中船舶縱向動態(tài)減搖裝置的控制原理示意圖。
[0043]圖6為船舶坐標系的示意圖。
[0044] 圖7為縱搖角度的示意圖，圖中，WL為水線，向右為船首方向。
[0045] 其中：船體1、船尾底板2、支撐架3、轉軸4、水翼5、第一傳動桿6、第二傳動桿7、開孔 8、第三傳動桿9、步進電機10、驅動芯片11、控制器12、船體縱搖傳感器13、水翼角度傳感器 14
【具體實施方式】
[0046] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0047] 如圖1~6所示，本發(fā)明所設計的船舶縱向動態(tài)減搖裝置，安裝在船體1的船尾底板 2上，其包括水翼5、支撐架3、驅動裝置、傳動裝置和控制系統(tǒng)。
[0048]支撐架3的前端固定在船尾底板2上，支撐架3的后端沿船舶橫向鉸接有轉軸4。
[0049] 水翼5的翼片數(shù)量為兩個，兩翼片分別固定連接在轉軸4的兩端，與轉軸4作為整體 可繞支撐架3旋轉。水翼5的每個翼片分別通過各自的傳動裝置與各自的驅動裝置相連。
[0050] 驅動裝置采用步進電機10,安裝在船體1尾部的船艙內(nèi)。
[0051]傳動裝置包括第一傳動桿6、第二傳動桿7和第三傳動桿9。第二傳動桿7從設置在 船尾底板2上的開孔8中穿過，其兩端分別與第一傳動桿6的一端、第三傳動桿9的一端鉸鏈 連接。第一傳動桿6的另一端鉸接在水翼5上表面遠離轉軸4的位置處。第三傳動桿9的另一 端與步進電機10的輸出軸相連。步進電機10的輸出軸和轉軸4沿y軸方向，第一傳動桿6、第 二傳動桿7和第三傳動桿9平行于yz平面運動。
[0052]控制系統(tǒng)包括控制器12、船體縱搖傳感器13和水翼角度傳感器14?？刂破?2采用 單片機，其型號為AT89C51。船體縱搖傳感器13為六軸陀螺儀，型號為mpu6050。水翼角度傳 感器14采用型號為GC03-WDS36-A-90d的角度傳感器，安裝在轉軸4處，通過測量轉軸4的轉 動角度來間接測量水翼的轉角。
[0053]如圖5所示，控制器12的控制信號輸出端與步進電機10的驅動芯片11相連，控制驅 動芯片11輸出電流到步進電機10。驅動芯片11采用晶體管陣列，其型號為ULN2004A，既可以 放大電流，也可以續(xù)流，消耗電機產(chǎn)生的感應電流，防止損壞電路。船體縱搖傳感器13的測 量信號輸出端和水翼角度傳感器14的測量信號輸出端分別與控制器12的測量信號輸入端 相連。
[0054] 以下以一條中高速實船尺寸為例，通過兩個實施例對采用上述裝置進行船舶縱向 動態(tài)減搖的方法進行詳細說明。
[0055] 該中高速實船的主要參數(shù)如表1所示：
[0056] 表1實船主尺度參數(shù)表
[0059] 方法實施例1
[0060]該實施例中，水翼角度采用閉環(huán)控制自動控制，其具體實施步驟如下：
[0061] 1)船體縱搖傳感器13采集船體1的縱搖角速度并輸出信號，控制器12接收船體縱 搖傳感器13傳入的信號，并將縱搖角速度換算成縱搖角。
[0062] 2)當船體達到最大縱搖角時，通過驅動裝置調整水翼(5)的翼片角度為γ，當縱搖 角為最大正值時，γ取-30° ;當縱搖角為最大負值時，γ取+30°?？v搖角的正負參見圖7, γ 的正負參見圖2~4。
[0063] 該步驟中，翼片角度為γ通過如下方式進行調整:控制器12向驅動芯片11發(fā)送指 令，控制電力輸入步進電機10,使步進電機10轉動一定的角度后停止(與翼片轉動角度對 應），步進電機10的軸帶動第三傳動桿9運動，第三傳動桿9通過第二傳動桿7帶動第一傳動 桿6運動，第一傳動桿6帶動水翼5的翼片繞轉軸4轉動一定角度(-30°或+30°)后停止，轉動 角度通過水翼角度傳感器14進行監(jiān)測。
[0064] 3)以船體最大縱搖角為輸出，水翼5的翼片角度為輸入建立閉環(huán)控制（負反饋），自 動控制水翼5的角度，使縱搖幅度(即最大縱搖角)不斷減小直至達到預期的減搖效果。 [0065]方法實施例2
[0066] 該實施例的實施步驟與方法實施例1基本相同，不同的是，步驟2)中，水翼5的翼片 角度通過如下公式確定：
[0067]
[0068] 式中，
[0069] 0:是1時刻的船尾縱搖角度，由傳感器測量得到；
[0070] He1)是t時刻的靜水回復力矩，由以下公式確定:?·(θ〇=Δ XHXsine1，其中Δ = 985.9t是船舶排水量，H=2.3m是縱穩(wěn)性高；
[0071] /XD是t時刻的阻尼力矩，由以下公式確定：
，其中Igy = 93371.96m4是水線面對通過重心橫軸的縱向慣性矩;f為常數(shù)，取f = 0.18計算；
[0072] /網(wǎng)）是t時刻的慣性力矩，由以下公式確定：
Jyy是船體 本身對通過重心橫軸的轉動慣量，Jy/是船體對通過重心橫軸的附加轉動慣量，近似取Jyy = Jyy7 =20205.32t .m2 ；
[0073] Θ為初始值，g卩〇時刻的船尾縱搖角度，由傳感器測量得到；
[0074] f(0)是0時刻的靜水回復力矩，由以下公式確定:f(0)= Δ XHXsin0，其中Δ = 985.9t是船舶排水量，H=2.3m是縱穩(wěn)性高；
[0075] f (句是0時刻的阻尼力矩，由以下方法/公式確定
車中1燈= 93371.96m4是水線面對通過重心橫軸的縱向慣性矩;f為常數(shù)，取f = 0.18計算；
[0076] /(句是0時刻的慣性力矩，由以下方法/公式確憑
Jyy是 船體本身對通過重心橫軸的轉動慣量，Jy/是船體對通過a心憤細的附訓將功損重，近似取 Jyy = Jyy7 =20205.32t.m2;
[0077] P = 1 · 025t/m4為海水密度；V= 10m/S是船航速;A = 8m2是水翼面積；Lpp = 55m是船 體垂線間長，d = 0.5LPP = 27.5m是水翼中心到船體漂心的距離；δ是建立水翼轉角γ與升力 系數(shù)cu司的關系系數(shù)，α=δγ，本例中，水翼型號為nacao〇2i，其升力系數(shù)α的表達式為α =-2 X 10-5 γ 3+0.0007 γ 2+0.0285 γ +0.0067。
[0078] 根據(jù)以上方程，假定當0時刻船體縱傾幅值θ = 5°時，t時刻船體縱傾幅值為θ1 = 2.5° (具體應用時根據(jù)實際情況取值），求解得，所需水翼轉動角度為30°。
【主權項】
1. 一種船舶縱向動態(tài)減搖方法，其特征在于:包括如下步驟： 1) 通過船體縱搖傳感器(13)采集船尾縱向旋轉的加速度或角速度，進一步換算成船體 的縱搖角； 2) 當船體達到最大縱搖角時，通過驅動裝置調整水翼(5)的翼片角度為Y，當縱搖角為 最大正值時，y取負值;當縱搖角為最大負值時，y取正值。2. 根據(jù)權利要求1所述的船舶縱向動態(tài)減搖方法，其特征在于:步驟2)中，當縱搖角為 最大正值時，T的取值范圍為+5°~+30° ;當縱搖角為最大負值時，y的取值范圍為調整范 圍-30°~-5°。3. 根據(jù)權利要求2所述的船舶縱向動態(tài)減搖方法，其特征在于:步驟2)中，當縱搖角為 最大正值時，T的取值范圍為+20°~+30° ;當縱搖角為最大負值時，y的取值范圍為調整范 圍-30° ~-20°。4. 根據(jù)權利要求1所述的船舶縱向動態(tài)減搖方法，其特征在于:步驟2)中，以最大縱搖 角為輸出，以Y為輸入建立閉環(huán)控制，自動控制水翼(5)的翼片角度，使船體的最大縱搖角 不斷減小。5. 根據(jù)權利要求1所述的船舶縱向動態(tài)減搖方法，其特征在于:步驟2)中，水翼的翼片 角度y通過如下公式確定：式中， 1是1時刻的船體縱搖角，由傳感器測量得到； f(0i)是t時刻的靜水回復力矩，由以下公式確定:f(0i)= A XHXsin0i，其中A是船舶 排水量，H是縱穩(wěn)性高； /'(A)是t時刻的阻尼力矩，由以下公式確定：/!^) = / X /0y X心?其中Igy是水線面對 通過重心橫軸的縱向慣性矩;f為常數(shù)，取f = 〇. 18計算； /(?〇是t時刻的慣性力矩，由以下公式確定：fd) = C/yy+/y/) X &，Jyy是船體本身 對通過重心橫軸的轉動慣量，Jy/是船體對通過重心橫軸的附加轉動慣量； 9為初始值，即〇時刻的船體縱搖角，由傳感器測量得到； f(0)是〇時刻的靜水回復力矩，由以下公式確定:f(0)= △ XHXsin0，其中A是船舶排 水量，H是縱穩(wěn)性高； /(句是〇時刻的阻尼力矩，由以下方法/公式確定:./(句二/X/# X&其中1呀是水線面 對通過重心橫軸的縱向慣性矩;f為常數(shù)，取f = 〇. 18計算； /間是0時刻的慣性力矩，由以下方法/公式確定= +iyy') W:，Jyy是船體本身 對通過重心橫軸的轉動慣量，Jy/是船體對通過重心橫軸的附加轉動慣量； P為海水密度;v是船航速;A是水翼面積;d是水翼中心到船體漂心的距離;S是水翼轉角 與升力系數(shù)間的關系系數(shù)。6. -種為實現(xiàn)權利要求1中所述方法而設計的船舶縱向動態(tài)減搖裝置，安裝在船體（1) 的船尾底板(2)上，其特征在于:該裝置包括水翼(5)、支撐架(3)、驅動裝置、傳動裝置和控 制系統(tǒng)； 所述支撐架（3)的前端固定在船尾底板(2)上，所述支撐架(3)的后端沿船舶橫向設置 有轉軸(4)，所述水翼(5)通過所述轉軸(4)鉸接在支撐架(3)的后端;所述驅動裝置安裝在 船體(1)尾部的船艙內(nèi)，通過傳動裝置與水翼(5)相連，驅動水翼(5)繞所述轉軸(4)旋轉； 所述控制系統(tǒng)包括控制器（12)、船體縱搖傳感器（13)和水翼角度傳感器（14);所述船 體縱搖傳感器（13)為加速度計或角速度傳感器，用于監(jiān)測船體（1)的縱向搖動角速度或加 速度;所述水翼角度傳感器(14)用于監(jiān)測水翼(5)的旋轉角度;所述控制器(12)的控制信號 輸出端與驅動裝置的控制信號輸入端相連，所述船體縱搖傳感器(13)的測量信號輸出端和 水翼角度傳感器(14)的測量信號輸出端分別與控制器(12)的測量信號輸入端相連。7. 根據(jù)權利要求6所述的船舶縱向動態(tài)減搖裝置，其特征在于:所述驅動裝置為步進電 機(10)或伺服電機。8. 根據(jù)權利要求6所述的船舶縱向動態(tài)減搖裝置，其特征在于:所述傳動裝置包括第一 傳動桿(6)、第二傳動桿(7)和第三傳動桿(9);所述第二傳動桿(7)從設置在船尾底板(2)上 的開孔(8)中穿過，其兩端分別與第一傳動桿(6)的一端、第三傳動桿(9)的一端鉸鏈連接； 所述第一傳動桿(6)的另一端鉸接在水翼(5)上表面遠離所述轉軸(4)的位置處;所述第三 傳動桿(9)的另一端與所述驅動裝置的輸出軸相連。9. 根據(jù)權利要求6~8中任一項所述的船舶縱向動態(tài)減搖裝置，其特征在于:所述水翼 (5)的翼片數(shù)量為兩個，所述傳動裝置與驅動裝置為兩組，所述水翼(5)的每個翼片分別通 過一個傳動裝置與一個驅動裝置相連。10. 根據(jù)權利要求6~8中任一項所述的船舶縱向動態(tài)減搖裝置，其特征在于:所述船體 縱搖傳感器(13)為六軸陀螺儀。
【文檔編號】B63B39/06GK106043616SQ201610390343
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】秦江濤, 戴敬, 許磊, 周智慧, 姚蘭, 柳高飛, 傅率智, 馬程前
【申請人】武漢理工大學