[发明专利]内河船电力推进系统及包含该推进系统的内河船航行控制方法

权利要求书

1.一种内河船电力推进系统，包括电力系统和可升降收放的全回转推进系统；电力系统包括左、右舷两个电力单元，电力单元包括母线，左、右舷两个电力单元的母线通过开关相连接，母线功率输入侧通过带第一断路器的电缆连接有至少两台恒速主发电机，主发电机输出端设有检测主发电机的输出电压和输出电流的第一功率检测模块，第一功率检测模块与PLC控制器连接；母线功率输入侧通过带逆变器以及第二断路器的电缆连接有超级电容；母线功率输出侧通过第三断路器连接到AFE变频器，AFE变频器通过第六断路器与主推进电机相连，AFE变频器输出端设有检测AFE变频器输出电压与电流的第二功率检测模块，第二功率检测模块与PLC控制器连接；母线通过电缆依次与第四断路器、变压器、第五断路器、以及日用负载相连，变压器和第五断路器之间设有与PLC控制器相连的用于检测日用负载消耗的功率的第三功率检测模块；其特征在于：所述全回转推进系统，包括设置在船体上的翘摆机构，翘摆机构包括设置在船体上的绕水平轴线转动的转动盘以及驱动转动盘的翘摆驱动装置，翘摆驱动装置输出端伸出或缩回带动转动盘转动，转动盘上连接有回转机构，回转机构包括回转座，回转座通过其上设置的转动轴与转动盘相连接，回转座内腔装有可在回转座腔内垂直于转动盘盘面的平面上360°旋转的中空的回转体，回转体上设有沿回转体中心轴方向运动的升降机构，升降机构上设有空毂全回转推进系统；回转体内腔设有内齿圈；回转座上装有回转电机，回转电机输出端与转轴连接，转轴与齿轮连接，齿轮与回转体的内齿圈啮合，回转体下端与升降机构相连接；空毂全回转推进系统包括电机外壳，电机外壳内装有电机定子，电机定子上缠绕线圈；电机外壳内腔中装有转子，转子上装有安装环，安装环内壁上装有若干桨叶单元；线圈通电时，转子带动安装环在电机外壳内腔中旋转。

2.如权利要求1所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述升降机构包括筒状的升降座，升降座上端与回转体下端连接，升降座内腔活动装有升降柱，升降柱可在升降座内腔中上下运动，升降柱上设有沿长度方向布置的齿条，升降座上装有与齿条对应的升降驱动装置；升降柱底端连接所述空毂全回转推进系统。

3.如权利要求2所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述升降柱上设有摩擦板，升降座上装有与摩擦板相配合的摩擦锁紧机构。

4.如权利要求3所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述摩擦锁紧机构包括安装在升降座上的锁紧座，锁紧座上装有压紧驱动装置，压紧驱动装置输出端连接有压紧滑块，压紧滑块上设有导向轴，导向轴穿过锁紧座上设置的导向孔，压紧滑块上装有摩擦块，当压紧驱动装置带动摩擦块伸出时，摩擦块与摩擦板贴合以锁紧升降柱。

5.如权利要求4所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述安装环两端分别套装有旋转支撑体，用于支撑安装环，电机外壳两端装有径向轴承座，径向轴承座外侧装有导流罩，旋转支撑体上装有耐磨铜套，耐磨铜套上套有径向轴承和推力轴承。

6.如权利要求5所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述转动盘和船体上的固定板中间装有降低转动盘转动时的摩擦力的翘摆无油衬套。

7.如权利要求6所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：在回转体径向方向与回转座之间装有用于降低转动摩擦力的回转无油衬套，回转体与回转座之间装有回转推力轴承，用于支撑回转体。

8.如权利要求7所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：回转座上装有回转座端盖，回转座端盖压紧回转推力轴承以在轴向上固定回转体。

9.如权利要求2-8中任一项所述的一种内河船电力推进系统，其特征在于：所述升降驱动装置包括安装在升降座上的升降电机和带座轴承，升降电机输出端连接传动轴一端，传动轴另一端穿过带座轴承，传动轴上装有传动齿轮，传动齿轮与齿条啮合。

10.一种包含上述权利要求1-9中任一项所述的内河船电力推进系统的内河船航行控制方法，包括以下步骤：

步骤1：启动电力推进系统

启动一台发电机，通过设备运行参数监测模块获取发电机组输出功率P_W和船舶负荷功率P_L；船舶负荷功率P_L包括变频器输出功率和日用负载功率，当船舶负荷功率大于当前发电机组输出功率，且机组平均负荷达到85％后，启动蓄电池为母线补充功率，直至变频器输出功率小于当前发电机组输出功率；

若蓄电池放电时长超过蓄电池额定工作时长的90％，则启动备用机组，关闭蓄电池，此时备用机组为母线供电，补充功率，母线为蓄电池充电；当机组负荷低于30％时，自动停止一台机组运行，保证最小在网机组1台；

有大功率设备启动时，需要向功率管理系统发送重载问询请求，确认在网机组功率满足要求后才能允许启动，否则将启动备用机组并网后才允许启动；

步骤2：实时获取船舶航行参数

各个船舶监测模块实时获取所需的船舶航行参数；

通过定位导航模块获取船舶当前位置(x₀,y₀)、航速v₀和航向α₀；

通过设备运行参数监测模块获取左右两侧全回转推进系统转速n_L、n_R和角度β_L和β_R；

通过航行环境参数监测模块获取吃水深度、水流的方向和速度，风的方向和速度，以及航行目标航行轨迹内障碍物尺寸、运动方向和速度信息；

根据船舶航行需求，在固定坐标系(X₀,O₀,Y₀)下，设定船舶目标位置(x_P,y_P)、航速u_P和航向α_P，同时设定船舶从初始位置调整到目标位置所用的调整时间为T，T＝L/(k×v_E)；其中，L为初始位置和目标位置之间的距离，v_E为船舶设计航速，k为航行速度系数，(0k≤1)；接着将固定坐标系下(X₀,O₀,Y₀)的航行参数转化到随船坐标系(X,O,Y)中，得到船舶前进距离△x、横移距离△y和航向偏角△ω；

步骤4：计算船舶航行调整过程的控制参数

根据设定的航行参数，计算t时刻船舶航行调整过程的控制参数，从式中计算得到在随船坐标系下X轴方向运动速度u(t)、Y轴方向运动速度v(t)和绕Z轴转动角速度ω(t)；

步骤5：计算外力作用于船舶的力和力矩

将实时采集的水流方向和速度、风的方向和速度、吃水深度、船舶航行速度和方向输入上位机的仿真计算软件，在软件中选择相应的船体模型后，计算得出得出t时刻，水流和风作用于船舶x轴方向的前进力F_Ex(t)、y轴方向的横移力F_Ey(t)和绕z轴转动的转动力矩M_E(t)；

步骤6：计算当前的全回转推进系统作用力和力矩

双全回转推进系统结构相同，并且对称布置在船艉，因此，双全回转推进系统同时作用于船舶上的力矩为

其中，a为全回转推进系统常规推力减额系数；b和c分别为通过实验得出的全回转推进系统推力对横移和转动力矩的影响系数；β_L和β_R分别为左右两侧全回转推进系统转动角度；F_L和F_R分别为左右两侧全回转推进系统的推力，全回转推进系统的推力F＝ρn²D⁴k；其中，ρ为水的密度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径；k为螺旋桨推力系数；

步骤7：计算所需的全回转推进系统作用力和力矩

根据设定的目标参数和外力作用条件，计算t时刻需要全回转推进系统额外作用于船舶x轴方向的前进力F_Px(t)、y轴方向的横移力F_Py(t)和绕z轴转动的转动力矩M_P(t)；

船舶的运动方程如下，从式中计算得到F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)；

式中：m为船舶质量；m_x和m_y分别为运动坐标系x和y轴方向上的附加质量；I_z和J_z分别为船舶绕z轴的转动惯量和附加转动惯量；

步骤8：计算所需的全回转推进系统转速和角度

船舶调整过程中，两侧全回转推进系统采取相同操作，即取β＝β_PL＝β_PR，取n＝n_PL＝n_PR，根据步骤6中的计算公式，由F_Px(t)、F_Py(t)和M_P(t)，计算得到t时刻所需的全回转推进系统角度β和螺旋桨转速n；

步骤9：控制变频器输出功率

根据所需的螺旋桨转速n，得到航行过程中推进电机所需的负载功率，并由此计算出相应的电压电流以调节变频器输出的电压电流曲线，使之与所需的负载电压电流曲线贴合，保持变频器输出功率匹配实际负载功率；

步骤10：控制全回转推进系统角度

根据t时刻的全回转推进系统角度β，控制旋转电机转动到对应角度；若ββ₀，当β-β₀180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β，当β-β₀180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β；若ββ₀，当β₀-β180°时，则顺时针调整全回转推进系统角度至β，当β₀-β180°时，则逆时针调整全回转推进系统角度至β；

步骤11：航行轨迹障碍物碰撞判断

船舶自动航行过程中，环境参数监测模块通过摄像机实时采集船舶航行轨迹内图像，根据图像判断航行区域内是否出现障碍物或船只；当船舶由现行位置A驶向目标位置B时，若航行区域内出现障碍物C，控制系统先发出障碍物碰撞警告，并提醒操作员重新设定航行目标参数；若无操作员响应障碍物碰撞警告，则控制系统自动更改航行目标参数；控制系统从采集的图像中判断障碍物C垂直于航线方向的长度尺寸，并判断障碍物移动方向，判定障碍物是向船舶左侧还是右侧运动即可，若障碍物向船舶向某侧移动，则在原航线轨迹基础上向相反一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；若障碍物不动，则在原航线轨迹基础上向任意一侧偏移距离l，设定新的目标位置A1；到达新的目标位置A1后沿平行于原轨迹方向移动直至船舶运动超过障碍物后到达设定的转向位置A2，然后由转向位置A2继续向原目标位置B行驶。