船舶側推裝置及側推方法
【專利摘要】本發明公開了一種船舶側推裝置及側推方法，該船舶側推裝置包括：2n臺360o全回轉推進器，該2n臺360o全回轉推進器安裝在船舶的尾部，且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，其中：n≥1；用于實時檢測船舶的位置坐標的第一檢測裝置；用于實時檢測船舶的航向角的第二檢測裝置；以及，側推控制裝置。側推控制裝置的信號輸入端分別與第一檢測裝置的信號輸出端和第二檢測裝置的信號輸出端連接，側推控制裝置的控制輸出端分別與2n臺360o全回轉推進器的控制輸入端連接，用于控制該2n臺360o全回轉推進器的推力方向以及推力大小，從而實現船舶的側推。
【專利說明】船舶側推裝置及側推方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種船舶側推裝置及側推方法。
【背景技術】
[0002]船舶在離靠碼頭時需要將船舶水平地移動，如內河的渡輪，每天往返碼頭幾十次，每次離靠碼頭都需要依靠船長熟練的操縱技能來控制船舶水平移動。即便經驗豐富的船長，也很難將船舶水平地靠上碼頭。要實現船舶側推平移，通常的做法是在船舶上安裝艏推裝置和艉推裝置，但基于成本考慮，這種做法僅在大型遠洋船舶上有應用價值。
[0003]圖1為現有的360°全回轉推進器的結構示意圖，其包括螺旋槳91、可驅動螺旋槳91進行360°旋轉的伺服電機92以及控制螺旋槳91的轉速的推進電機93，通過控制伺服電機92可以使螺旋槳的周向轉動角度在360°范圍內改變，從而達到改變推力方向的目的，通過控制推進電機93可以改變螺旋槳的轉速，從而實現對推力大小的控制。目前，在實際應用中，人們通常利用I臺或多臺360°全回轉推進器實現普通船舶的推進(前進及后退)和轉向(左轉、右轉、左掉頭及右掉頭)功能。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題在于提供一種利用360°全回轉推進器實現船舶側推的裝置及其側推方法。
[0005]本發明提供了一種船舶側推裝置，包括:
2η臺360°全回轉推進器,該2η臺360°全回轉推進器安裝在船舶的尾部,且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，其中:η≥I ;
第一檢測裝置，用于實時檢測船舶的位置坐標；
第二檢測裝置，用于實時檢測船舶的航向角；
側推控制裝置，該側推控制裝置的信號輸入端分別與第一檢測裝置的信號輸出端和第二檢測裝置的信號輸出端連接，該側推控制裝置的控制輸出端分別與該2η臺360°全回轉推進器的控制輸入端連接，用于控制該2η臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小。
[0006]本發明還公開一種實現船舶側推的方法，包括以下步驟:
步驟1，將船舶調整到位于側推目標位置正前方的側推起始位置，在側推目標位置與側推起始位置之間為該船舶的預期平移路徑；
步驟2，通過側推控制裝置控制2η臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小，使Flx與？],的方向相同，均指向側推目標位置，使Fly與？2丨的大小相等，方向相反；其中:該2η臺360°全回轉推進器安裝在船舶的尾部，且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，n ^ I ；F1X為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力，F2X為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力；Fly為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在平行于船舶中軸線方向的分力，F2y為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力F2在平行于船舶中軸線方向的分力；
步驟3，在船舶平移的過程中，側推控制裝置根據第一檢測裝置檢測到的船舶位置坐標和第二檢測裝置檢測到的船舶航向角，對2η臺360°全回轉推進器的推力方向和/或推力大小進行實時調整，以使船舶的當前移動路徑符合所述的預期平移路徑，直到船舶移動到所述的側推目標位置。
[0007]本發明于船舶尾部、并在船舶中軸線兩側對稱地安裝有2n(n ^ I)臺360°全回轉推進器，通過改變該2η臺360°全回轉推進器的推進方向和推力大小，可實現船舶的側推。
【專利附圖】
【附圖說明】 [0008]圖1為現有的360°全回轉推進器的結構示意圖。
[0009]圖2是本發明船舶側推裝置的一個實施例的原理圖。
[0010]圖3是本發明的GPS接收機和電羅經的安裝示意圖。
[0011]圖4是本發明的船舶側推裝置實現船舶側推的力學原理圖。
[0012]圖5是用本發明的船舶側推裝置實現船舶左側推的示意圖。
[0013]圖6是用本發明的船舶側推裝置實現船舶右側推的示意圖。
[0014]圖7是根據本發明一實施例的船舶側推平移過程示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明做出進一步說明。
[0016]請參考圖2至圖4。根據本發明一實施例的船舶側推裝置包括2臺360°全回轉推進器9a和％、用于實時檢測船舶的位置坐標的第一檢測裝置8、用于實時檢測船舶的航向角的第二檢測裝置7以及側推控制裝置6。上述的2臺360°全回轉推進器9a和9b均安裝在船舶的尾部，且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側。
[0017]側推控制裝置6的信號輸入端分別與第一檢測裝置8的信號輸出端和第二檢測裝置7的信號輸出端連接，側推控制裝置6的控制輸出端分別與該2臺360°全回轉推進器的控制輸入端連接，用于控制該2臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小。
[0018]在該實施例中，第一檢測裝置8為GPS接收機，第二檢測裝置7為電羅經，該GPS接收機安裝在船舶的中軸線上。優選地，GPS接收機的數量為兩臺，其中一臺GPS接收機靠近船頭，另一臺GPS接收機靠近船尾，該兩臺GPS接收機對稱地位于船舶質心(船舶質心位于船舶的中軸線上)的兩側，電羅經位于該兩臺GPS接收機之間，如圖3所示。
[0019]對兩臺360°全回轉推進器的推力Fl和F2進行受力分解和力矩分析，如圖4所示。其中，坐標系X軸的方向垂直于船舶中軸線，坐標系y軸的方向平行于船舶中軸線。將Fl和F2進行受力分解，得Flx、F2X、Fly與F2y。船舶要水平側推，垂直方向的力需要Fly=F2y。如果水平方向的力F1X+F2X〈0船舶向左運動，如圖5所示，如果F1X+F2X>0船舶向右運動，如圖6所示。對Fl和F2進行力矩分析，LI為Fl到船舶質心O的距離，L2為F2到質心O的距離。要使船舶不旋轉運動，推力的力矩F1XL1=F2XL2。由于本實施例中的2臺360°全回轉推進器9a和9b相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，質心O也是位于船舶中軸線上的，因此L1=L2。在這種情況下，只需要使F1=F2就能實現船舶水平側推。
[0020]360°全回轉推進器的數量不限于2臺，可以是2n臺，其中，η > 1，如4臺等、6臺等。該2η臺360°全回轉推進器安裝在船舶的尾部，且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，即，在船舶中軸線的每一側設有η臺360°全回轉推進器。
[0021]進一步地，側推控制裝置6包括輸入模塊61和推進器控制模塊62。其中，輸入模塊61用于接收用戶輸入的側推指令，并將該側推指令發送給所述的推進器控制模塊62。在一種實施方式中，該輸入模塊61可以是一操作手柄。推進器控制模塊62用于在接收到該側推指令時控制2η臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小，使Flx與F2X的方向相同，均指向側推目標位置，使的大小相等，方向相反；其中:FlxS位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力，F2XS位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力；Fly為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在平行于船舶中軸線方向的分力，F2y為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力F2在平行于船舶中軸線方向的分力；并且，在該船舶平移的過程中，推進器控制模塊62根據第一檢測裝置8檢測到的船舶位置坐標和第二檢測裝置7檢測到的船舶航向角，對2η臺360°全回轉推進器的推力方向和/或推力大小進行實時調整，以使船舶的當前移動路徑符合預期平移路徑，直到船舶移動側推目標位置。預期平移路徑是指位于側推目標位置正前方的側推起始位置與該側推目標位置之間的路徑，預期平移路徑垂直于船舶的中軸線。
[0022]根據本發明一實施例的實現船舶側推的方法，包括以下步驟:
步驟1，將船舶調整到位于側推目標位置正前方的側推起始位置，在側推目標位置與側推起始位置之間為該船舶的預期平移路徑；
步驟2，通過側推控制裝置控制2η臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小，使Flx與？],的方向相同，均指向側推目標位置，使Fly與？2丨的大小相等，方向相反；其中:該2η臺360°全回轉推進器安裝在船舶的尾部，且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，n ^ I ；F1X為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力，F2X為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力；Fly為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在平行于船舶中軸線方向的分力，F2y為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力F2在平行于船舶中軸線方向的分力；
步驟3，在船舶平移的過程中，側推控制裝置根據第一檢測裝置檢測到的船舶位置坐標和第二檢測裝置檢測到的船舶航向角，對2η臺360°全回轉推進器的推力方向和/或推力大小進行實時調整，以使船舶的當前移動路徑符合所述的預期平移路徑，直到船舶移動到所述的側推目標位置。
[0023]圖7是根據本發明一實施例的船舶側推平移過程示意圖，下面結合圖7對發明的實現船舶側推的方法進行更加詳細的說明。
[0024]圖中，僅以安裝2臺360°全回轉推進器舉例，該2臺360°全回轉推進器沿船舶中軸線對稱安裝。用于實 時檢測船舶的位置坐標的第一檢測裝置8的數量為兩臺，其中一臺第一檢測裝置8設置在A點，其在側推起始位置測得的位置坐標為(X’ 1； ? !>,另一臺第一檢測裝置8設置在B點，作為冗余使用，其在側推起始位置測得的位置坐標為(Xl，yi)，A點和B點均位于船舶中軸線上，并對稱地位于船舶質心O點的兩側。用于實時檢測船舶的航向角的第二檢測裝置7在側推起始位置測得的航向角為θ1()側推目標位置靠近碼頭。在側推目標位置與側推起始位置之間為該船舶的預期平移路徑(在圖中是沿X軸方向)。
[0025]要使船舶不旋轉運動，使Fl =F2即可。船舶要水平側推，則需要Fly=F2y，為便于計算，可使2臺360°全回轉推進器的周向旋轉角度Θ’的大小相等。因此，在收到用戶輸入的向右側推指令后，側推控制裝置則控制2臺360°全回轉推進器的螺旋槳周向轉動角度，使二者的螺旋槳旋轉到圖7中Fl和F2的方向，此時二者的周向旋轉角度Θ ’的大小相等，并且，側推控制裝置還控制該2臺360°全回轉推進器的螺旋槳的轉速，使二者轉速相等，從而產生相同大小的推力(即F1=F2)。
[0026]完成上述控制后，船舶會在Fl與F2的水平分量Flx與F2X的共同作用下向右水平移動。在船舶運動過程中，側推控制裝置通過實時監控第一、第二檢測裝置的檢測信息，調整推力大小和方向實現船舶的側推平移。該實施例中，船舶在移動過程中，由于水流等干擾因素，船舶偏離了預期平移路徑，而移動到了圖中的位置I。在位置1，A點的第一檢測裝置測得的位置坐標為(x’2，y’2)，B點的第一檢測裝置測得的位置坐標為(x2，y2)，第二檢測裝置測得的航向角為θ2。側推控制裝置通過比較(χ2，y2)與(X1, yj、以及92與Q1，可以判斷船舶位于預期偏離路徑的上方并沿順時針方向發生了偏轉。要使船舶移動到側推目標位置，船舶需要向船尾方向移動并且逆時針旋轉。側推控制裝置通過提高右側360°全回轉推進器的轉速，即加大推力F2，導致Fl X LI < F2 X L2，船舶逆時針旋轉，同時，y軸方向的力Fly < F2y，船舶會向下移動。在一具體的實施方式中，側推控制裝置采用的調整算法如下:
a、當y2 關 Y1 且θ 2 F2=A J (y2 — Y1) +Fl
b、當Y2=Y1, Θ I 關 Θ 2
F2= λ 2 ( Θ 2 - Θ i);F2調整到垂直于船舶中軸線方向(如果左偏向左垂直，右偏向右垂直)；F1=0
C、當 y2 古 y1； Θ != Θ 2
F2=F1=A3 (y2 — yi)，Fl、F2調整到平行于船舶中軸線方向；
其中，λ P λ 2、λ 3為常數，根據船舶尺寸、推進器功率和實船試驗得出。在一實施例中，可選 λ J= λ 2= λ 3=1。
[0027]對2η臺360°全回轉推進器的推力方向和推力大小進行調整后，船舶逆時針旋轉，并沿I2方向從位置I移動到側推目標位置。
[0028]以上示例是以控制船舶逆時針轉動、并向下移動作為示例，上述的調整算法也適用于其它各種調整情況，例如控制船舶順時針轉動、往上移動等。
【權利要求】
1.船舶側推裝置，其特征在于，包括: 2n臺360°全回轉推進器,該2n臺360°全回轉推進器安裝在船舶的尾部,且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，其中:n≥1 ; 第一檢測裝置，用于實時檢測船舶的位置坐標； 第二檢測裝置，用于實時檢測船舶的航向角； 側推控制裝置，該側推控制裝置的信號輸入端分別與第一檢測裝置的信號輸出端和第二檢測裝置的信號輸出端連接，該側推控制裝置的控制輸出端分別與該2n臺360°全回轉推進器的控制輸入端連接，用于控制該2n臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小。
2.如權利要求1所述的船舶側推裝置，其特征在于，所述的側推控制裝置包括輸入模塊和推進器控制模塊，其中: 輸入模塊用于接收用戶輸入的側推指令，并將該側推指令發送給所述的推進器控制模塊； 推進器控制模塊用于在接收到用戶輸入的側推指令時控制2n臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小，使Flx與F2X的方向相同，均指向側推目標位置，使Fly與F2y的大小相等，方向相反；其中:Flx為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力，F2X為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力；Fly為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力 Fl在平行于船舶中軸線方向的分力，F2y為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力F2在平行于船舶中軸線方向的分力；并且，在該船舶平移的過程中，所述的推進器控制模塊根據第一檢測裝置檢測到的船舶位置坐標和第二檢測裝置檢測到的船舶航向角，對2η臺360°全回轉推進器的推力方向和/或推力大小進行實時調整，以使船舶的當前移動路徑符合預期平移路徑，直到船舶移動到所述的側推目標位置。
3.如權利要求1所述的船舶側推裝置，其特征在于，所述的第二檢測裝置為電羅經。
4.如權利要求1所述的船舶側推裝置，其特征在于，所述的第一檢測裝置為GPS接收機。
5.如權利要求4所述的船舶側推裝置，其特征在于，所述的GPS接收機安裝在船舶的中軸線上。
6.如權利要求5所述的船舶側推裝置，其特征在于，所述GPS接收機的數量為兩臺，其中一臺GPS接收機靠近船頭，另一臺GPS接收機靠近船尾，該兩臺GPS接收機對稱地位于船舶質心的兩側。
7.如權利要求1至6中任何一項所述的船舶側推裝置，其特征在于，360°全回轉推進器的數量為兩臺或四臺。
8.實現船舶側推的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，將船舶調整到位于側推目標位置正前方的側推起始位置，在側推目標位置與側推起始位置之間為該船舶的預期平移路徑； 步驟2，通過側推控制裝置控制2η臺360°全回轉推進器的推力方向以及推力大小，使Flx與？],的方向相同，均指向側推目標位置，使Fly與？2丨的大小相等，方向相反；其中:該2η臺360°全回轉推進器安裝在船舶的尾部，且相互對稱地分別設置于船舶中軸線的兩側，η ^ I ；F1X為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力，F2X為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在垂直于船舶中軸線方向的分力；Fly為位于船舶中軸線一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力Fl在平行于船舶中軸線方向的分力，F2y為位于船舶中軸線另一側的η臺360°全回轉推進器的推進合力F2在平行于船舶中軸線方向的分力； 步驟3，在船舶平移的過程中，側推控制裝置根據第一檢測裝置檢測到的船舶位置坐標和第二檢測裝置檢測到的船舶航向角，對2η臺360°全回轉推進器的推力方向和/或推力大小進行實時調整，以使船舶的當前移動路徑符合所述的預期平移路徑，直到船舶移動到所述的側推目標位置。
9.如權利要求8所述的船舶側推方法，其特征在于，所述的第一檢測裝置為GPS接收機，所述的第二檢測裝置為電羅經。
10.如權利要求8所述的船舶側推方法，其特征在于，360°全回轉推進器的數量為兩臺或 四臺。
【文檔編號】B63H5/08GK104002949SQ201410227377
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】周航, 劉予學, 蘭鋒, 徐在強, 馬善偉, 劉赟 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所