[发明专利]襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法

说明书

本发明公开了一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法。本发明所述的齿轮传动装置包括主舵轴、翼舵轴和安装于船舱内部的驱动电机、ECU控制单元、齿轮传动机构及制动系统，驱动电机通过齿轮传动机构可以调整襟翼舵角度，而制动系统则可以使其角度不变。本发明的控制方法是，首先建立船舶航行运动模型，将转船力矩和等效舵角两个目标函数转换成单目标函数，基于人工鱼群算法开发上层控制器和基于backstepping控制理论开发下层控制器，可以实时在线优化襟翼舵角度并进行鲁棒控制。本装置安放在船舱内部，结构简单、紧凑、易于控制，本控制方法通过船舶航向、速度、海风等数据自动计算并控制最佳襟舵角和翼舵角航行，提升船舶航行的操纵稳定性和灵活性。

技术领域

本发明涉及一种襟翼舵转角传动装置及其控制方法，特别是涉及一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法。

背景技术

在船舶姿态控制中，航向控制主要是通过操舵运动来实现的。为了转向灵活，要求舵尽可能的将螺旋桨的推力转变为船舶运动的横向力，即产生尽可能大转舵力矩以此来提高舵效。襟翼舵是将舵叶按一定的比例分为主舵叶和翼舵叶两个部分，转舵时通过传动装置使主舵角与翼舵角不相等，实际上将具有流线型的舵叶变成一个具有拱度的舵页。目前工程实践常见的襟翼舵，主舵与翼舵之间多用滑槽式、导杆式、铰链式等传动方式。这些传动装置的普遍特点就是主舵与翼舵之间的转角比是一个定值，即主舵与翼舵的转动角度成固定比例。这种襟翼舵相比传统对称剖面舵，提高了控制性能，但由于转角比固定，使得进一步提升船舶操纵性能受到了限制。

国内外对转角比无级可调的襟翼舵进行了相关研究。在中国发明专利说明书CN101112913A中公开了一种船舶舵/翼舵任意转角比传动装置，这种传动装置“在舵上面增加一个相对独立的控制面，改善舵的航向控制性能”，但是其传动机构相对复杂，结构臃肿，不能完全适用于提高船舶的水动力性能。在中国发明专利说明书CN101519118B中公开了一种滑块式船舶襟翼舵任意转角比传动装置，这种装置利用滑块机构实现翼舵转动，但其传动装置安放在船舱外部，导致船体结构不规则，影响船体的水动力性能，而且长期置于水中，亦不利于装置的维护保养。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种主舵角/襟翼舵角比可调的齿轮传动装置及其控制方法。本装置安放在船舱内部，结构简单、紧凑、易于控制，应用于本装置的控制方法可以通过船舶航向、速度、海风、海流、海浪等数据自动计算并控制最佳襟舵角和翼舵角航行，提升船舶航行的操纵稳定性和灵活性。

技术方案：本发明公开一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，包括主舵轴、翼舵轴、ECU控制单元以及安装于船舱内部的驱动电机、齿轮传动机构和制动系统。所述的齿轮传动机构包括连接在主舵轴上的太阳齿轮和连接在翼舵轴上的翼舵齿轮，太阳齿轮和翼舵齿轮在驱动电机的带动下旋转，所述的制动系统可以同时或者分别制动太阳齿轮和翼舵齿轮，所述的ECU控制单元控制驱动电机和制动系统。

具体的，所述的齿轮传动机构还包括主动齿轮、从动齿轮、行星架、行星齿轮、齿圈，主动齿轮连接驱动电机，从动齿轮与行星架依次安装于主舵轴上端部，主动齿轮与从动齿轮外啮合，行星齿轮位于行星架下方，分别与太阳齿轮和齿圈啮合，从动齿轮可以带动行星齿轮旋转，齿圈内外都有锯齿，翼舵齿轮与齿圈外啮合。

具体的，所述的制动系统由充放气控制单元、电磁阀1、电磁阀2、气路导管、太阳轮制动盘、外圈制动盘、第一复位弹簧、第二复位弹簧、太阳轮制动气缸和外圈制动气缸构成，充放气控制单元通过气路导管与太阳轮制动气缸、外圈制动气缸相连通，太阳轮制动盘与太阳轮制动气缸通过第一复位弹簧连接，外圈制动盘与外圈制动气缸通过第二复位弹簧连接。

本发明所述的齿轮传动装置控制方法，包括以下步骤：

(1)建立船舶航向运动数学模型和海风、海流、海浪干扰数学模型，并在MATLAB/Simulink软件中建立航向运动仿真模型，比较仿真结果与试验结果，以此修正模型并验证其正确性；