一种无人船艇航向稳定装置及操纵性动态调节方法与流程

1.本发明属于水面舰艇总体领域，尤其是一种无人船艇航向稳定装置及操纵性动态调节方法。


背景技术：

2.无人船艇作为水面自主航行运载平台在军用和民用领域的应用日益广泛，随着各领域对无人船艇航行要求的提高，无人船艇航行需要适应动态多变的外部干扰和形似多样的任务需求。无人船艇操纵性是航行控制基础，具有良好操纵性的无人船艇，既能够稳定的保持航向，又能快速的改变航向，无人船艇操纵性主要由船艇本身状态决定，仅通过航行控制算法很难满足不同任务的航行需求。
3.航向稳定性不足的无人船艇在风、浪、流的干扰下容易发生侧滑、横漂、甩尾等运动；在航行控制下也容易出现频繁艏摇、大角度偏航，继而造成偏离计划航线,必须通过频繁操舵来跟踪航线。无人艇船艇较大的航向稳定性又会造成机动性不足，在航行时表现为操舵响应慢，变向困难，回转区域大，在航行控制下表现出时滞、超调等现象。回转性与稳定性对船体的要求是矛盾的，稳定性不足的船艇航行控制困难，稳定性太好的船艇回转区域大，因此，需要根据船艇的任务全面考虑有所侧总。当前船艇的操纵性能受限于船体设计，船体设计建造完成操纵性便被固定下来，通过调整压载及浮态的方式对操纵性的调节有限且容易带来其他航行问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种能动态调节船艇操纵性、可实现无人船艇在回转性约束的特殊水域动态适应及航行控制对航向稳定性的动态需求的满足操纵性动态调节的无人船艇航向稳定装置。
5.本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：
6.一种无人船艇航向稳定装置，其特征在于：所述稳定装置由对称设置的两组稳定结构构成；两组稳定结构安装于船体艉部左、右两侧位置；
7.所述稳定结构包括稳定鳍和稳定鳍上下运动驱动机构；在稳定鳍的上端一侧固定有电磁体；在稳定鳍上下运动驱动机构的上端设置有电磁吸板，所述电磁体与电磁吸板上下对正；
8.在船体正常行驶状态下，所述电磁吸板通过电磁力与电磁体吸合；所述稳定鳍上下运动驱动机构带动稳定鳍上下移动；
9.在船体发生触底状态下，所述稳定鳍受力，使电磁吸板与电磁体脱离。
10.而且，所述稳定鳍上下运动驱动机构包括液压油缸、由数根升降支杆通过铰链连接构成剪式升降机构、液压滑块、支杆滑块、下滑杆、上滑杆、所述电磁吸板和所述电磁体；所述液压油缸通过基座沿船体纵向固定于船体底板上，所述下滑杆沿纵向固定于基座上，剪式升降机构设置于液压油缸上方，剪式升降机构的下部一端铰连接于下固定支座上，所
述下固定支座固定于船体底板上，所述剪式升降机构的下部另一端铰连接于液压滑块的上端部，液压滑块的下部与下滑杆滑动配合；所述液压滑块与液压油缸的推杆端固定连接；所述上滑杆沿船体纵向固定于上固定支座上，所述上固定支座与电磁吸板的下端固定连接；所述剪式升降机构的上部一端与上固定支座的下部铰连接，所述剪式升降机构的上部另一端与支杆滑块的下部铰连接，支杆滑块的上部与上滑杆形成滑动配合。
11.而且，所述稳定鳍底部型线向船首方向逐渐升高，形成平滑过渡形状。
12.本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：
13.一种基于上述无人船艇航向稳定装置的无人船艇航操纵性动态调节方法，其特征在于：通过对无人船艇航向稳定装置中液压油缸的缸杆伸缩量调整带动稳定鳍上下位置的动态移动，实现船艇回转指数k及追随性指数t的值的动态调整，达到船艇操纵性动态调整的目的；包括如下步骤：
14.步骤1、确定船艇航行稳定性及回转性，采用船舶一阶操纵运动响应方程：
[0015][0016]
式中，t—船艇追随性指数；k—船艇回转指数；r—船艇回转角速度；δ—船艇舵角，—船艇角加速度；
[0017]
船艇操舵过程中角速度变化如下
[0018][0019]
式中，e—自然对数；t1—操舵时间；t—时间；δ
max
—最大舵角。
[0020]
当t
→
∞时
[0021]
r＝kδ
max
＝v/r0[0022]
式中，r0—回转半径；v—船艇航速；
[0023]
步骤2、根据当前船艇航速v、反映船艇操纵性的回转半径r0、船艇最大舵角δ
max
可求出船艇所需船艇回转指数k，
[0024]
k＝v/(r0·
δ
max
)
[0025]
步骤3、船艇追随性指数t及回转指数k与液压油缸的缸杆伸缩量d的函数关系根据模型试验，水池试验，实船试验多种方式获取，如下：
[0026]
d＝fd(l,v,k)
[0027]
式中，l—船艇长度，fd—缸杆伸缩量d与船艇长度l、船艇航速v、回转指数k的函数，依据上述通过稳定装置可动态调整船艇回转指数k的值，实现船艇操纵性的准确控制
[0028]
本发明具有的优点和积极效果：
[0029]
1、本发明稳定装置采用稳定鳍和液压式稳定鳍上下运动驱动机构的组合形式，稳定鳍通过液压驱动进行调节，可以实现船舰操纵性的准确控制。
[0030]
2、本发明稳定鳍安装于船体艉部使整个装置接近机舱，便于液压动力的连接，同时船体回转时枢心在艏部，艉部漂角大能够起到很好的操纵性能调节作用，左右布置安装使装置能够不受船体横摇的影响。
[0031]
3、本发明稳定鳍底部线形向船首方向逐渐升高，形成平滑过渡的形状，防止与水中碍航物的碰撞；
[0032]
4、本发明液压滑块被下滑杆限制，仅可沿下滑杆轴向移动，保证了液压机构的工作稳定性；
[0033]
5、本发明电磁体与电磁吸板通过电磁控制吸合，当船体发生触底后外力突破磁力使其断开连接，能够有效保护航向稳定性条件。
附图说明
[0034]
图1是本发明装置结构示意图；
[0035]
图2是本发明装置安装立体图；
[0036]
图3是本发明装置安装侧视图；
[0037]
图4是本发明装置安装前视图；
[0038]
图5是本发明装置安装尾视图；
[0039]
图6是本发明装置工作原理图；
[0040]
图7是本发明装置不同状态航向稳定性对比图；
[0041]
图8是本发明装置不同状态航向回转性对比图。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
[0043]
一种船艇航向稳定装置，请参见图1-图8，其发明点为：稳定装置由对称设置的两组稳定结构构成，每组稳定结构包括稳定鳍8和稳定鳍上下运动驱动机构。
[0044]
稳定鳍上下运动驱动机构主要包括液压油缸5、数根升降支杆11、液压滑块10、支杆滑块13、下滑杆9、上滑杆12、电磁吸板1、电磁体14。液压油缸通过基座沿船体纵向固定于船体底板7上，下滑杆沿纵向固定于基座6上，数根升降支杆通过铰链3连接构成剪式升降机构，剪式升降机构设置于液压油缸上方，剪式升降机构的下部一端铰连接于下固定支座4上，所述下固定支座固定于船体底板上，所述剪式升降机构的下部另一端铰连接于液压滑块的上端部，液压滑块的下部与下滑杆滑动配合，所述液压滑块与液压油缸的推杆端固定连接。所述上滑杆沿船体纵向固定于上固定支座2上，所述上固定支座与电磁吸板的下端固定连接。所述剪式升降机构的上部一端与上固定支座的下部铰连接，所述剪式升降机构的上部另一端与支杆滑块的下部铰连接，支杆滑块的上部与上滑杆形成滑动配合。所述电磁体固定于稳定鳍上端一侧，所述电磁体与电磁吸板上下对正。在正常状态下，电磁吸板通过电磁力与电磁体吸合。
[0045]
本实施例中，稳定鳍采用在船体内上下伸缩的调节方式，稳定鳍底部型线向船首方向逐渐升高，形成平滑过渡的形状。能够有效节省艇内空间，同时能够防止触底搁浅对装置造成的损坏。
[0046]
本实施例中，液压滑块被下滑杆约束运动，仅可沿下滑杆轴向移动。当触底搁浅外力通过剪式升降机构作用于液压机构，下滑杆可以有效的约束液压滑块的垂向运动，保护包括液压油缸的推杆不会弯曲变形。
[0047]
本实施例中，电磁体与稳定鳍固定连接，与电磁吸板磁力连接，且通过电磁控制吸合力，当船体发生触底后外力突破磁力使其断开连接，能够有效保护装置。
[0048]
本实施例中，船艇航向稳定装置安装于船体15艉部，在船体左右分别布置右稳定鳍8b和左稳定鳍8a，使整个装置接近机舱，便于液压动力的连接，同时左右布置安装使装置能够不受船体横摇的影响。
[0049]
本实施例中，一种无人船艇航向稳定装置能够根据航行任务需求对稳定鳍形状、安装位置进行设计，且可通过数值仿真、模型试验、经验公式多种途径进行计算。
[0050]
本实施例中，稳定鳍可以通过液压推杆驱动上下运动，通过水动力计算出操纵性数值，进而精确控制稳定鳍伸缩位置。
[0051]
本发明的工作过程如下：
[0052]
在设计阶段，根据无人船艇船体型线及任务需求，通过数值仿真、模型试验、经验公式等技术途径进行水动力计算，进而确定稳定鳍的形状及安装位置；
[0053]
在工作阶段，无人船艇航行过程中根据航行任务需要，确定航向稳定性，进而确定稳定鳍的伸缩长度，液压油缸通过液压推杆推动液压滑块平移运动，液压滑块带动剪式升降机构进行升降运动，同时支杆滑块根据升降距离在上滑杆上移动，最终剪式升降机构带动电磁吸板上下运动，电磁吸板通过电磁力与电磁体吸合，带动稳定鳍上下运动，达到设定位置。当无人船艇航行过程中受到外力冲击时，稳定鳍会将力的作用传递到电磁体，当外力作用超过电磁吸合力时，电磁吸板会与电磁体分离，从而保护发明装置不被损坏，当解除危险后，通过控制指令驱动液压推杆带动剪式升级机构运动从而实现电磁吸板与电磁体重新吸合，继续执行操纵性动态调节功能。
[0054]
如图7-8所示，为无人船艇航向稳定装置三种不同状态的航行轨迹，状态1为稳定鳍中间状态，状态2为稳定鳍较高状态，状态3为稳定鳍较低状态。图7为无人船艇不同稳定装置状态受到外界扰动后，航向稳定后的航行轨迹，图8为无人船艇不同稳定装置状态回转轨迹。
[0055]
基于上述的无人船艇航向稳定装置的操纵性动态调节方法，其发明点为：
[0056]
通过对船艇稳定装置中液压推杆的伸缩量调整可带动稳定鳍上下位置的动态移动，实现船艇回转指数k及追随性指数t的值的动态调整，最终达到船艇操纵性动态调整的目的。
[0057]
具体实施方式如下：
[0058]
船艇的一阶操纵运动响应方程系数k和t全面反应了船艇的操纵性能，由于确定稳定鳍状态位置的k和t是唯一确定，并且随着稳定鳍上下位置变化趋势相同，因此可以根据任务需求确定船艇最大舵角下的回转半径，调整船艇操纵性。步骤包括：
[0059]
(1)确定船艇航行稳定性及回转性，采用船舶一阶操纵运动响应方程：
[0060][0061]
式中，t—船艇追随性指数；k—船艇回转指数；r—船艇回转角速度；δ—船艇舵角，—船艇角加速度。
[0062]
船艇操舵过程中角速度变化如下
[0063][0064]
式中，e—自然对数；t1—操舵时间；t—时间；δ
max
—最大舵角。
[0065]
当t
→
∞时
[0066]
r＝kδ
max
＝v/r0[0067]
式中，r0—回转半径；v—船艇航速；
[0068]
(2)根据当前船艇航速v、反映船艇操纵性的回转半径r0、船艇最大舵角δ
max
可求出船艇所需船艇回转指数k，
[0069]
k＝v/(r0·
δ
max
)
[0070]
由于k和t是同时确定的，k确定后t也被唯一确定；
[0071]
(3)船艇追随性指数t及回转指数k与液压推杆的伸缩量d的函数关系可根据模型试验，水池试验，实船试验多种方式获取
[0072]
d＝fd(l,v,k)
[0073]
式中，l—船艇长度，fd—液压推杆的伸缩量d与船艇长度l、船艇航速v、回转指数k的函数。
[0074]
通过稳定装置可动态调整船艇回转指数k的值，进而可实现船艇操纵性的准确控制。
[0075]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变换和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种无人船艇航向稳定装置，其特征在于：所述稳定装置由对称设置的两组稳定结构构成；两组稳定结构安装于船体艉部左、右两侧位置；所述稳定结构包括稳定鳍和稳定鳍上下运动驱动机构；在稳定鳍的上端一侧固定有电磁体；在稳定鳍上下运动驱动机构的上端设置有电磁吸板，所述电磁体与电磁吸板上下对正；在船体正常行驶状态下，所述电磁吸板通过电磁力与电磁体吸合；所述稳定鳍上下运动驱动机构带动稳定鳍上下移动；在船体发生触底状态下，所述稳定鳍受力，使电磁吸板与电磁体脱离。2.根据权利要求1所述的无人船艇航向稳定装置，其特征在于：所述稳定鳍上下运动驱动机构包括液压油缸、由数根升降支杆通过铰链连接构成剪式升降机构、液压滑块、支杆滑块、下滑杆、上滑杆、所述电磁吸板和所述电磁体；所述液压油缸通过基座沿船体纵向固定于船体底板上，所述下滑杆沿纵向固定于基座上，剪式升降机构设置于液压油缸上方，剪式升降机构的下部一端铰连接于下固定支座上，所述下固定支座固定于船体底板上，所述剪式升降机构的下部另一端铰连接于液压滑块的上端部，液压滑块的下部与下滑杆滑动配合；所述液压滑块与液压油缸的推杆端固定连接；所述上滑杆沿船体纵向固定于上固定支座上，所述上固定支座与电磁吸板的下端固定连接；所述剪式升降机构的上部一端与上固定支座的下部铰连接，所述剪式升降机构的上部另一端与支杆滑块的下部铰连接，支杆滑块的上部与上滑杆形成滑动配合。3.根据权利要求1所述的无人船艇航向稳定装置，其特征在于：所述稳定鳍底部型线向船首方向逐渐升高，形成平滑过渡形状。4.一种基于上述权利要求1-3任一所述的无人船艇航向稳定装置的无人船艇航操纵性动态调节方法，其特征在于：通过对无人船艇航向稳定装置中液压油缸的缸杆伸缩量调整带动稳定鳍上下位置的动态移动，实现船艇回转指数k及追随性指数t的值的动态调整，达到船艇操纵性动态调整的目的；包括如下步骤：步骤1、确定船艇航行稳定性及回转性，采用船舶一阶操纵运动响应方程：式中，t—船艇追随性指数；k—船艇回转指数；r—船艇回转角速度；δ—船艇舵角，—船艇角加速度；船艇操舵过程中角速度变化如下式中，e—自然对数；t1—操舵时间；t—时间；δ
max
—最大舵角。当t
→
∞时r＝kδ
max
＝v/r0式中，r0—回转半径；v—船艇航速；步骤2、根据当前船艇航速v、反映船艇操纵性的回转半径r0、船艇最大舵角δ
max
可求出船
艇所需船艇回转指数k，k＝v/(r0·
δ
max
)步骤3、船艇追随性指数t及回转指数k与液压油缸的缸杆伸缩量d的函数关系根据模型试验，水池试验，实船试验多种方式获取，如下：d＝f
d
(l,v,k)式中，l—船艇长度，f
d
—缸杆伸缩量d与船艇长度l、船艇航速v、回转指数k的函数，依据上述通过稳定装置可动态调整船艇回转指数k的值，实现船艇操纵性的准确控制。

技术总结
本发明涉及一种无人船艇航向稳定装置及操纵性动态调节方法，装置由对称设置的两组稳定结构构成；两组稳定结构安装于船体艉部左右两侧位置；稳定结构包括稳定鳍和稳定鳍上下运动驱动机构；稳定鳍上下运动驱动机构包括液压油缸、由液压缸驱动的剪式升降机构、剪式升降机构下部一端铰连接于下固定支座上，下固定支座固定于船体底板上，剪式升降机构的下部另一端铰连接于液压滑块的上端部，液压滑块的下部与下滑杆滑动配合；所述剪式升降机构上部一端与上固定支座的下部铰连接，剪式升降机构上部另一端与支杆滑块的下部铰连接，支杆滑块的上部与上滑杆滑动配合；电磁体固定于稳定鳍上端一侧，电磁体与电磁吸板上下对正。本发明可实现船艇操纵性的准确控制。现船艇操纵性的准确控制。现船艇操纵性的准确控制。


技术研发人员：邵光明 范鑫 张凯丽
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/6/7