本發(fā)明屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種船艇偏航角閉環(huán)控制系統(tǒng)。

背景技術：

1、船艇常需要配備專用的控制系統(tǒng)來控制船身在水面上的運動姿態(tài)，使船艇運動軌跡得到調整，使船艇航行路線得到校正。

2、由于船艇水平姿態(tài)(也稱偏航角)受環(huán)境風、流、涌、浪影響較大，實際使用場景復雜多樣、變化莫測、環(huán)境險惡，當船艇需要在危險水域拋錨作業(yè)、碼頭靠泊、特殊作業(yè)等場景下難以準確控制船艇水平姿態(tài)，不便于根據(jù)復雜多樣、變化莫測、環(huán)境險惡的場景對船艇偏航角做出精準調控，容易造成船艇與暗礁、障礙物、碼頭等發(fā)生碰撞后造成財產(chǎn)損失損壞甚至人員傷亡，穩(wěn)定性和安全性較差。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，解決了現(xiàn)有的船艇偏航角閉環(huán)控制系統(tǒng)存在操作復雜、穩(wěn)定性差和安全性差的問題。

2、本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種船艇偏航角閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括機殼和槳葉連桿；

3、所述槳葉連桿上端從上往下依次套入安裝有推力方向標、深度調節(jié)環(huán)、旋轉卡槽座、從動齒輪、軸套以及支撐座，所述機殼在船艇上任意無磁場干擾處安裝有偏航角傳感器；

4、控制系統(tǒng)工作流程如下：

5、步驟1：用戶通過遙控器向控制器發(fā)送目標偏航角a＝135°；

6、步驟2：控制器首先進行推力方向閉環(huán)控制，確保推力方向正確，如圖3-7所示，控制器讀取偏航角檢測單元輸出的當前偏航角b＝90°，所以船艇需要順時針(cw)旋轉45°才能達到偏航角控制目標。由于船艇的旋轉方向與推力方向相反，此時所需推力方向為逆時針(ccw)方向；如果當前偏航角為b＝150°，那么船艇需要逆時針(ccw)旋轉15°才能達到偏航角控制目標，由于船艇的旋轉方向與推力方向相反，此時所需推力方向應為順時針(cw)方向；

7、步驟3：控制器讀取轉向單元中的推力方向檢測裝置反饋的當前推力方向，如果當前推力方向與所需推力方向一致則啟動側推電機的推力控制，否則會先控制側推電機停機，然后控制轉向單元轉向，直到當前推力方向與所需推力方向一致；

8、步驟4：當所需推力方向與當前推力方向一致后，控制器開始進行側推電機推力控制：控制器根據(jù)目標偏航角、當前偏航角，結合閉環(huán)控制算法計算所需推力百分比，然后將推力百分比換算為側推驅動器的側推出力指令；

9、步驟5：側推單元中的側推電機驅動器接收到出力指令后，將出力指令進行放大形成側推電機的驅動電流；

10、步驟6：側推電機在驅動電流的作用下，形成電機主軸扭矩從而帶動螺旋槳旋轉形成側推力；

11、步驟7：船艇在側推力的作用下開始順時針旋轉，偏航角檢測單元輸出的當前偏航角b開始接近目標偏航角a?？刂屏鞒檀藭r返回到步驟2；

12、控制方法總體流程如下：

13、步驟1：控制器接收目標偏航角、當前偏航角信息：該步驟主要目的是收集偏航角的控制目標和當前偏航角信息，這兩個信息是偏航角閉環(huán)控制流程中最關鍵的兩個輸入；

14、步驟2：推力方向控制：該步驟的主要目的是在偏航角閉環(huán)控制過程中確保當前推力方向與所需推力方向一致，確保推力方向正確，具體過程為控制器會根據(jù)目標偏航角、當前偏航角信息計算所需推力方向；結合推力方向檢測裝置反饋的當前推力方向，輸出轉向電機的控制指令，驅動轉向單元動作，直到當前推力方向與所需推力方向一致，最終確保推力方向正確；

15、步驟3：推力大小控制：該步驟的主要目的是在偏航角閉環(huán)控制過程中使側推單元輸出合適的推力，使偏航角達到穩(wěn)態(tài)時時間盡量短、穩(wěn)態(tài)誤差盡量小。具體過程為控制器根據(jù)目標偏航角、當前偏航角信息，結合閉環(huán)控制算法計算需要的推力百分比，然后將百分比換算為推力控制信號，最后將推力控制信號輸出至側推電機驅動器，側推電機驅動器將推力控制信號放大后輸出給側推電機產(chǎn)生合適的側推力；

16、步驟4：比較目標偏航角a與當前偏航角b，其中參數(shù)f代表機械換向偏航角閥值，其用途在于控制船體只有在偏航角誤差絕對值大于閥值的情況下才通過響應較慢的機械換向方式改變螺旋槳推力方向，從而保證在螺旋槳正轉情況下產(chǎn)生最大推力效率，此方法在較大誤差角的場景下縮短誤差收斂時間；反之如果偏航角誤差絕對值小于f，則通過響應較快的電機換相方式使螺旋槳反轉來改變推力方向，此換向方式響應更快，但螺旋槳反轉時推力效率降低，此方法更適合在較小的偏航角誤差振蕩收斂階段的推力換向操作。

17、在本發(fā)明較佳的技術方案中，所述機殼位于旋轉卡槽座與支撐座之間，所述槳葉連桿穿插設置在機殼內部左側，所述支撐座任意一端固定連接有固定夾。

18、在本發(fā)明較佳的技術方案中，所述機殼內部頂端任意一側轉動連接有位于從動齒輪一側的驅動齒輪，所述驅動齒輪動力輸出端與從動齒輪嚙合傳動連接，所述機殼內部上下兩側分別安裝有主控電路和轉向電機，所述轉向電機位于驅動齒輪下方，所述驅動齒輪圓心與轉向電機通過法蘭盤傳動連接，所述推力方向標和偏航角傳感器與主控電路信號連接，所述主控電路通過導線連接有蓄電池。

19、在本發(fā)明較佳的技術方案中，所述從動齒輪圓心與槳葉連桿外壁通過鍵銷可拆卸連接，所述驅動齒輪下端設置有活動連接在機殼內壁任意一側的限位擋板，所述限位擋板頭尾兩端均安裝有微動開關。

20、在本發(fā)明較佳的技術方案中，所述旋轉卡槽座內壁與槳葉連桿外壁之間上下兩側分別安裝有第一骨架油封和第二骨架油封，所述支撐座內壁與槳葉連桿外壁之間上下兩側分別安裝有軸承和第三骨架油封。

21、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明實現(xiàn)的有益效果如下：

22、1.對偏航角調整和鎖定的過程實現(xiàn)無人工干預；

23、2.對偏航角度鎖定的時間更短，典型場景耗時分別與傳統(tǒng)的半自動方案和人工方案相比較，是半自動方案的約1/4，是人工方案的約1/40；

24、3.在典型場景下的偏航角鎖定精度分別與傳統(tǒng)的半自動方案和人工方案相比較，是半自動方案的2倍，是人工方案的4倍；

25、4.整體控制系統(tǒng)對船艇偏航角度閉環(huán)控制的方式靈活，能夠根據(jù)實際使用場景復雜多樣、變化莫測、環(huán)境險惡情況下對船艇偏航角度精準調控，對船艇航行途中的危險因素排查效率高、準確性高，提高了船艇航行安全性；

26、5.精準偏航控制：船艇借助閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠精準接收目標偏航角，并結合當前偏航角持續(xù)調整船艇航行姿態(tài)，不管是面對目標偏航角a＝135°這類設定，還是復雜多變的實際航行場景，系統(tǒng)都能通過嚴謹?shù)目刂屏鞒?，讓船艇精準趨近目標偏航角，極大提升了船艇航行方向的精準度；

27、6.推力方向智能校正：系統(tǒng)設有推力方向閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，通過對比目標偏航角與當前偏航角，智能計算所需推力方向，并結合推力方向檢測裝置反饋，及時校正推力方向，這樣可以避免因推力方向錯誤而導致的航行偏差，保障船艇航行軌跡的穩(wěn)定性，減少不必要的能耗；

28、7.高效的推力大小調控：在偏航角閉環(huán)控制時，控制器利用閉環(huán)控制算法，依據(jù)目標和當前偏航角算出合適的推力百分比，轉化為精準的推力控制信號，這使得側推單元輸出的推力恰到好處，既能讓偏航角快速達到穩(wěn)態(tài)，又能最大程度降低穩(wěn)態(tài)誤差，提升船艇響應速度與航行效率；

29、8.穩(wěn)定的機械結構設計：槳葉連桿及其上套設的多個部件與機殼合理布局以維持系統(tǒng)核心部件的穩(wěn)定性，此外，像旋轉卡槽座與槳葉連桿間的第一、二骨架油封，支撐座與槳葉連桿間的軸承和第三骨架油封，減少部件摩擦與滲漏，延長使用壽命，維持系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；

30、9.集成化與信號協(xié)同優(yōu)勢：機殼內部緊湊集成主控電路、轉向電機等關鍵部件，轉向電機與驅動齒輪通過法蘭盤穩(wěn)定傳動，推力方向標、偏航角傳感器與主控電路實現(xiàn)信號連接，配合蓄電池供電，讓整個系統(tǒng)的信號傳輸迅速、協(xié)同高效，優(yōu)化控制響應時間；

31、10.安全防護與限位保障：驅動齒輪下端設置的限位擋板及微動開關，在系統(tǒng)運行過程中，能夠有效防止部件過度運轉，避免因機械故障引發(fā)的安全隱患，增強系統(tǒng)整體可靠性，為船艇航行保駕護航；

32、11.部件穩(wěn)固與拓展便利：支撐座上的固定夾為系統(tǒng)的相關部件提供了額外的穩(wěn)固點，不僅強化結構穩(wěn)固性，還為后續(xù)可能的設備拓展、改裝和預留空間提供便利條件，提升系統(tǒng)的兼容性與可升級性。