[发明专利]小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统

权利要求书

1.一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，其特征在于：包括电机螺旋桨推进系统、吊舱推进系统和综合优化控制系统，所述综合优化控制系统包括单片机(303)、波浪测量仪(301)、高精度姿态测量仪(302)、GPS(304)和航向测量仪(305)，所述波浪测量仪(301)用于测量波浪参数，所述高精度姿态测量仪(302)用于测量船艇的航行姿态参数，所述GPS(304)用于测量船艇的航行位置，所述航向测量仪(305)用于测量船艇的航向，所述单片机(303)根据所述波浪测量仪(301)、所述高精度姿态测量仪(302)、所述GPS(304)以及所述航向测量仪(305)测量的数据控制所述电机螺旋桨推进系统和所述吊舱推进系统；

所述电机螺旋桨推进系统包括螺旋桨一(101)、螺旋桨二(102)、联轴器一(103)、联轴器二(104)、传动轴一(105)、传动轴二(106)、直流无刷电机一(107)和直流无刷电机二(108)，所述直流无刷电机一(107)通过所述联轴器一(103)与所述传动轴二(106)传动连接，所述传动轴二(106)与所述螺旋桨二(102)传动连接，所述直流无刷电机二(108)通过所述联轴器二(104)与所述传动轴一(105)传动连接，所述传动轴一(105)与所述螺旋桨一(101)传动连接，所述螺旋桨一(101)和所述螺旋桨二(102)位于船体尾部沿船体中线对称布置；其中所述螺旋桨一(101)和所述螺旋桨二(102)的直径不超过船艇吃水深度的2/3；

所述吊舱推进系统包括直流无刷电机三(201)、传动齿轮一(202)、传动齿轮二(203)、传动轴三(204)、锥齿轮一(205)、锥齿轮二(206)、舵机(207)、传动轴四(208)、螺旋桨三(209)、锥齿轮四(210)、锥齿轮三(211)、推进轴(212)、螺旋桨四(213)、联轴器(214)和吊舱(215)，所述直流无刷电机三(201)通过所述联轴器(214)与所述传动轴三(204)传动连接，所述传动轴三(204)上安装有所述锥齿轮一(205)，所述锥齿轮一(205)与所述锥齿轮二(206)啮合，所述锥齿轮二(206)安装在所述传动轴四(208)一端，所述传动轴四(208)的另一端安装有锥齿轮三(211)，所述锥齿轮三(211)与所述锥齿轮四(210)啮合，所述锥齿轮四(210)安装在所述推进轴(212)上，所述推进轴(212)安装在所述吊舱(215)内，所述推进轴(212)的两端伸出所述吊舱(215)外，所述推进轴(212)的两端分别安装有所述螺旋桨三(209)和所述螺旋桨四(213 )，所述吊舱(215)与所述舵机(207)传动连接，所述吊舱(215)位于船艇首部中央位置距船首六分之一到五分之一船长；

所述综合优化控制系统对所述电机螺旋桨推进系统和吊舱推进系统进行控制，其控制参数的优化包括以下内容：

(1)确定设计变量

优化设计变量包括：船艇主浮体长L，船艇主浮体宽B，吃水T，方形系数C_b，水线长L_w，片体宽度C₀，主推进螺旋桨直径D_P，主推进螺旋桨盘面比A_eo，主推进螺旋桨螺距比P_DP，主推进螺旋桨转速N，吊舱螺旋桨直径D_1P，吊舱螺旋桨盘面比A_1eo，吊舱螺旋桨螺距比P_1DP，吊舱螺旋桨转速N1，吊舱转轴纵向位置l_1lp，吊舱桨轴垂向位置l_1vp，设计航速V_S；

(2)优化数学模型，确定目标函数

将航向稳定性、 机动性和推进性能三个子目标函数(以幂指数乘积的形式分配权重)整合成一个总目标函数：

f(x)＝f₁(x)^α1·f₂(x)^α2·f₃(x)^α3，α₁×α₂×α₃＝1,a₁＞0,a₂＞0,a₃＞0

其中，f₁(x)为航向稳定性的目标函数，其表达式为：

f₁(x)＝C＝Y′_vN′_r-N′_v(Y′_r-m′)

式中，Y_v′,Y_r′,N′_v,N′_r为无因次速度流体动力导数，m′为无因次船体质量；

其中，f₂(x)为机动性的目标函数P(转首指数)代表操舵后船舶在一个船长内，每单位舵角引起的首向角改变值；它用以衡量船舶机动性；指数P用以反映出船舶转首性的能力，P值越大，转首性越好，越容易改变航向，其表达式为：

式中，K’为无因次回转指数；T’为无因次应舵指数；

其中，f₃(x)为推进性能的目标函数，其表达式为：

f₃(x)＝P.C^β1·P.C₁^β2＝(η_Hη_Rη_Sη₀)^β1·(η_1Hη_1Rη_1Sη_1o)^β2，

β1*β2＝1,且β1＞β2＞0

式中，η₀为主推螺旋桨敞水效率；η_H为主推船身效率；η_R为主推相对旋转效率；η_s为主推轴系效率；η₁₀为吊舱螺旋桨敞水效率；η_1H为吊舱船身效率；η_1R为吊舱相对旋转效率；η_1s为吊舱轴系效率；

式中：K_T为主推螺旋桨推力系数；K_Q为主推螺旋桨转矩系数；V_S为主推螺旋桨设计航速；ω为主推螺旋桨伴流分数；n为主推螺旋桨转速；D为主推螺旋桨直径；K_1T为吊舱螺旋桨推力系数；K_1Q为吊舱螺旋桨转矩系数；V_1S为吊舱设计航速；ω₁为吊舱伴流分数；n₁为吊舱螺旋桨转速；D₁为吊舱螺旋桨直径；

主推螺旋桨船身效率吊舱螺旋桨船身效率

式中，t为主推螺旋桨推力减额分数；ω为主推螺旋桨伴流分数；t₁为吊舱螺旋桨推力减额分数；ω₁为吊舱螺旋桨伴流分数；

相对旋转效率，可以采用霍尔特洛泼公式：

C_P＝C_b/C_m

式中，A_E/A₀为盘面比；C_P为棱形系数；L_cb为0.5L前的纵向浮心位置；

约束条件：(1)静水浮性约束，(2)推力阻力平衡约束，(3)转矩平衡约束，即主机供给螺旋桨的转矩等于螺旋桨所承受的水动力转矩，(4)螺旋桨需满足空泡约束，(5)初稳性高约束，(6)横摇周期约束。

2.如权利要求1所述的一种小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统，其特征在于：所述单片机(303)根据所述波浪测量仪(301)、所述高精度姿态测量仪(302)、所述GPS(304)以及所述航向测量仪(305)测量的数据控制所述直流无刷电机一(107)、所述直流无刷电机二(108)和所述直流无刷电机三(201)。