一种流体动量轮平台减摇联合控制方法与流程

1.本发明涉及船舶与海洋工程减摇装置控制技术领域，更具体的说是涉及一种流体动量轮平台减摇联合控制方法。


背景技术：

2.当船舶与海洋工程作业平台遭遇较大的风浪流影响后，会产生明显的摇荡运动，进而影响作业精度及效果。海上减摇手段多样，主要包括减摇鳍、减摇水舱、利用流体动量轮减摇等方式。
3.目前，利用流体动量轮减摇是一种新型的减摇方式，具有响应快、取材便捷等优点，结合方向回转机构，可实现方向自适应减摇。其结构如图1所示，由图可以看出，回转驱动机构1可驱动流体动量轮在水平面内360度旋转，螺旋桨组合回转驱动机构2可通过多个不同朝向的螺旋桨组合，使平台产生水平面内360度的回转力矩，即上述两种机构均具备使流力动量轮回转的能力。当多种执行机构配合时，便会存在冗余的情况。
4.因此，如何提供一种针对多种机构联合控制的方法，以实现各个执行机构的高效协作运转，从而具备有效的减摇效果，是本领域亟需解决的问题。
5.同时，应注意，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明针对流体动量轮提供了一种减摇联合控制方法，能够根据用户的需求，实现精准的减摇，从而避免多机构同时执行，而出现冗余情况。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种流体动量轮平台减摇联合控制方法，其中，所述流体动量轮平台包括回转驱动机构和螺旋桨组合回转驱动机构，
9.控制方法包括：
10.获取所述回转驱动机构的初始方向角、所述螺旋桨组合回转驱动机构中各螺旋桨的初始方向角；以及对应的所述流体动量轮平台的初始力矩方向；
11.判断抵抗环境所需力矩方向与所述初始力矩方向是否相同，
12.如是，直接输出所述回转驱动机构及所述各螺旋桨的初始方向角；
13.如否，根据用户需求选取驱动模式，以抵抗环境，实现减摇。
14.为进一步优化上述方案，所述驱动模式包括回转驱动模式，所述回转驱动模式根据外界环境力矩方向和所述回转驱动机构的初始方向角，计算得到所述回转驱动机构指令方向角，并将所述回转驱动机构指令方向角、所述各螺旋桨初始方向角输出至执行机构。
15.为进一步优化上述方案，所述驱动模式包括螺旋桨组合回转驱动模式，所述螺旋桨组合回转驱动模式，根据外界环境力矩方向，计算所述各螺旋桨的指令方向角和指令转
速，并将所述各螺旋桨的指令方向角和指令转速以及所述回转驱动机构的初始方向角输出至执行机构。
16.为进一步优化上述方案，所述驱动模式包括回转机构和螺旋桨组合回转机构联合驱动模式，驱动方法为：根据外界环境力矩方向，计算联合驱动模式下所述回转驱动机构的方向角和所述螺旋桨组合回转驱动机构中各螺旋桨的方向角和转速，并输出执行机构。
17.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供流体动量轮平台减摇联合控制方法，可使流体动量轮平台高效使用过驱动回转执行机构，从而避免出现冗余情况，同时能使平台更好地产生抵抗外界环境干扰的作用力矩。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
19.图1为本发明提供的一种流体动量轮平台结构示意图；
20.图2为本发明提供的联合控制方法流程图。
具体实施方式
21.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
23.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
24.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其
它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
25.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
26.本技术公开了一种流体动量轮平台减摇联合控制方法，其中，流体动量轮平台包括回转驱动机构和螺旋桨组合回转驱动机构。
27.为使上述结构的工作方式更加明显易懂，下面结合附图1中的实施例作简要说明。图1中，1为回转驱动结构，2为螺旋桨组合回转驱动结构，3为流体动量轮。
28.其中，回转驱动机构1用于驱动流体动量轮3在水平面内360度旋转，螺旋桨组合回转驱动机构2用于通过多个不同朝向的螺旋桨组合，使平台产生水平面内360度的回转力矩。二者相互独立，各自工作。
29.进一步，如图2所示，本发明公开的控制方法包括：
30.获取回转驱动机构的初始方向角、螺旋桨组合回转驱动机构中各螺旋桨的初始方向角；以及对应的流体动量轮平台的初始力矩方向；
31.判断抵抗环境所需力矩方向与初始力矩方向是否相同，
32.如是，直接输出回转驱动机构及各螺旋桨的初始方向角；
33.如否，根据用户需求选取驱动模式，以抵抗环境，实现减摇。
34.为进一步优化上述方案，驱动模式包括回转驱动模式，回转驱动模式根据外界环境力矩方向和回转驱动机构的初始方向角，动态计算得到回转驱动机构指令方向角，并将回转驱动机构指令方向角、各螺旋桨初始方向角输出至执行机构。
35.一种实施例中，动态计算过程为：
36.为保证环境力矩方向与动量轮产生的抵抗力矩相同，即
[0037][0038]
其中，为平台抵抗的外界环境干扰方向，为动量轮所产生的力矩方向。
[0039]
则需要调整回转驱动机构指令方向角为：
[0040][0041]
为进一步优化上述方案，驱动模式包括螺旋桨组合回转驱动模式，螺旋桨组合回转驱动模式，根据外界环境力矩方向，计算各螺旋桨的指令方向角和指令转速，并将各螺旋桨的指令方向角、指令转速以及回转驱动机构的初始方向角输出至执行机构。
[0042]
一种实施例中，首先各螺旋桨的指令方向角的计算公式为：
[0043]
[0044]
式中，αi为第i个螺旋桨方向角，t
iy
为第i个螺旋桨的y方向推力分力，t
ix
为第i个螺旋桨的x方向推力分力；
[0045]
其中，t
iy
和t
ix
根据如下公式获得：
[0046][0047][0048]
式中，τ
x
为使平台旋转至目标角度所需的x方向控制力；τy为使平台旋转至目标角度所需的y方向控制力，n为螺旋桨的个数；
[0049]
各螺旋桨的指令转速，计算公式为：
[0050][0051]
式中，ni为第i个螺旋桨转速，ti为第i个螺旋桨的推力合力，ρ为海水密度；d为螺旋桨直径；kt为螺旋桨推力系数。
[0052]
其中，ti符合螺旋桨能耗最小的目标函数，即：
[0053][0054]
其中，ci为螺旋桨能耗系数，为常数；
[0055]
并满足如下约束条件：
[0056]
t
min
≤ti≤t
max
[0057]
式中，t
min
为螺旋桨最小值；t
max
为螺旋桨最大值；
[0058]
进一步，ti根据如下公式获得：
[0059][0060]
然后，利用序列二次规划方法求解上述优化问题，即可得到螺旋桨指令转速ni和指令方向角αi。
[0061]
最后，根据所得转速和指令方向角，结合平台旋转至目标角度所需的xoy平面内的控制力矩，实现精确旋转。对于平台旋转至目标角度所需的xoy平面内的控制力矩，通过如下公式获得：
[0062][0063]
其中，τ
xy
为使平台旋转至目标角度所需的xoy平面内的控制力矩；t
ixy
为第i个点在xoy平面内的控制力矩，计算公式如下：
[0064]
t
ixy
＝t
ix
×
l
ix
+t
iy
×
l
iy
[0065]
式中，l
ix
表示第i个螺旋桨在x方向分力与水下平台中心的垂向距离，l
iy
表示第i个螺旋桨在y方向分力与水下平台中心的垂向距离。
[0066]
为进一步优化上述方案，驱动模式包括回转机构和螺旋桨组合回转机构联合驱动
模式，驱动方法为：根据外界环境力矩方向，计算联合驱动模式下回转驱动机构的方向角和螺旋桨组合回转驱动机构中各螺旋桨的方向角和转速，并输出执行机构。
[0067]
一种实施例中，各螺旋桨的方向角和转速的计算过程同螺旋桨组合回转驱动模式一致，区别为：ti符合回转驱动机构能耗和螺旋桨能耗之和最小的目标函数，即：
[0068][0069]
式中，q为回转驱动机构消耗的能耗。
[0070]
此时，回转驱动机构的方向角的计算公式为：
[0071]
β＝β0+δβ
[0072]
δβ＝a
·q1/b
[0073]
式中，β0为回转机构的初始方向角；β为回转机构的指令方向角；
△
β为回转机构的方向角变化量；a和b为回转机构的能耗系数。
[0074]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0075]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种流体动量轮平台减摇联合控制方法，其特征在于，流体动量轮平台包括回转驱动机构和螺旋桨组合回转驱动机构，控制方法包括：获取所述回转驱动机构的初始方向角、所述螺旋桨组合回转驱动机构中各螺旋桨的初始方向角；以及对应的所述流体动量轮平台的初始力矩方向；判断抵抗环境所需力矩方向与所述初始力矩方向是否相同，如是，直接输出所述回转驱动机构及所述各螺旋桨的初始方向角；如否，根据用户需求选取驱动模式，以抵抗环境，实现减摇。2.根据权利要求1所述的一种流体动量轮平台减摇联合控制方法，其特征在于，所述驱动模式包括回转驱动模式，所述回转驱动模式根据外界环境力矩方向和所述回转驱动机构的初始方向角，计算得到所述回转驱动机构指令方向角，并将所述回转驱动机构指令方向角、所述各螺旋桨初始方向角输出至执行机构。3.根据权利要求1所述的一种流体动量轮平台减摇联合控制方法，其特征在于，所述驱动模式包括螺旋桨组合回转驱动模式，所述螺旋桨组合回转驱动模式，根据外界环境力矩方向，计算所述各螺旋桨的指令方向角和指令转速，并将所述各螺旋桨的指令方向角和指令转速以及所述回转驱动机构的初始方向角输出至执行机构。4.根据权利要求1所述的一种流体动量轮平台减摇联合控制方法，其特征在于，所述驱动模式包括回转机构和螺旋桨组合回转机构联合驱动模式，驱动方法为：根据外界环境力矩方向，计算联合驱动模式下所述回转驱动机构的方向角和所述螺旋桨组合回转驱动机构中各螺旋桨的方向角和转速，并输出执行机构。

技术总结
本发明公开了一种流体动量轮平台减摇联合控制方法，其中，流体动量轮平台包括回转驱动机构和螺旋桨组合回转驱动机构，控制方法为：获取回转驱动机构的初始方向角、螺旋桨组合回转驱动机构中各螺旋桨的初始方向角；以及对应的流体动量轮平台的初始力矩方向；判断抵抗环境所需力矩方向与所述初始力矩方向是否相同，如是，直接输出回转驱动机构及各螺旋桨的初始方向角；如否，根据用户需求选取驱动模式，以抵抗环境，实现减摇。本发明可避免多机构同时执行，出现冗余；并能根据用户需求，实现精准高效减摇。准高效减摇。准高效减摇。


技术研发人员：王琳琳 杨晔 杜亚震 侯成刚 成慰
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0七研究所九江分部
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/4/18