[发明专利]一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统及方法，该系统包括双动力推进集成单元和矢量控制单元；双动力推进集成单元用于伺服控制双喷水推进器，实现对船体的转向以及前进后退档位的控制，双动力推进集成单元还用于控制双柴油机的油门启停，实现对船体的启停以及航速的控制；矢量控制单元包括组合惯性导航设备和矢量控制器，其中，组合惯性导航设备用于实时采集和监视船体的姿态和位置，矢量控制器用于根据船体的载荷分布情况以及推进特性曲线估算初始的动力配置参数，并根据组合惯导数据实时闭环自动调节船体的姿态和位置，实现包括船体指定方向平移、原地旋转、定点镇定的柔性动作。

技术领域

本发明涉及无人艇技术领域，更具体地说，涉及一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统及方法。

背景技术

目前，实现船艇多样灵活的运动方式，包括采用360度吊舱或者侧推的集成动力实现方案，但其硬件需求成本却较高。喷水推进器以其高效的推进效率在高速船艇上获得了广泛的应用，相对于使用螺旋桨的推进设备，喷水推进器噪声更小，适用水面更浅，因此，利用喷水推进器本身具有的矢量控制特性开发高性能的控制软件，用于实现船艇多样灵活的运动方式，具有更大的吸引力。

现有技术中，申请号为CN201510096066的专利提供了一种通过两个手柄反复调节喷水动力变量的方案，在这种方案中，手柄终端用于船员操作，可实现船艇跟随操纵手柄的运动方向和运动幅度做相应运动的矢量控制，操纵者通过观察船体姿态使用手柄反复修正当前姿态和位置，但是这种方法不能实现较好精度的姿态和速度控制，尤其在有风浪干扰时可行性不高。本发明提供一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统及方法，从根本上解放了人工繁琐修正的工作，可按照指令闭环自动修正，从而保证矢量控制器完成高精度的姿态、速度和位置控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统及方法，从而实现船体的指定方向平移、原地旋转、定点镇定等柔性动作，已经成功的应用和实施到实际船体中。

本发明提供一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统，其包括双动力推进集成单元和矢量控制单元；所述双动力推进集成单元用于伺服控制双喷水推进器，实现对船体的转向以及前进后退档位的控制，所述双动力推进集成单元还用于控制双柴油机的油门启停，实现对船体的启停以及航速的控制；所述矢量控制单元包括组合惯性导航设备和矢量控制器，其中，所述组合惯性导航设备用于实时采集和监视船体的姿态和位置，所述矢量控制器用于根据船体的载荷分布情况以及推进特性曲线估算初始的动力配置参数，并根据组合惯导数据实时闭环自动调节船体的姿态和位置，实现包括船体指定方向平移、原地旋转、定点镇定的柔性动作。

本发明还提供一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，应用上述基于喷水推进器的船艇矢量控制系统，该方法包括以下步骤：

步骤S010，通过航行测试确定无人艇重心位置。将换向导流器位置调至一致，同时保持双发动机转速一致，通过对称改变舵角找到船体按照直线行驶而不发生偏转的舵角值±δ_G。测试双喷泵横向安装距离记为D，以双喷泵安装位置连线为横坐标y轴，中垂线为x轴，于是可以确定重心所在位置如下：

。重心位置的确定只需估计一次，而不需非常准确，误差部分将由后续伺服系统自动补偿。

步骤S020，根据当前换向导流器的位置和喷嘴的位置，估计此时倒车斗的分流系数和喷嘴的分流系数。设定倒车斗完全闭合时角度γ＝0，完全打开时角度为γ_max，于是可以估计流入倒车斗的水量占总吸入水量的比例即倒车斗的分流系数为

；舵角δ影响两侧倒车斗的水流分配情况，估计进入右侧倒车斗的水量占进入总倒车斗水量比例即喷嘴的分流系数为