襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109436277A(43)申请公布日2019.03.08(21)申请号201811363892.6(22)申请日2018.11.16(71)申请人江苏科技大学地址212008江苏省镇江市京口区梦溪路2号(72)发明人袁春元于凯王晓阳赵攀蔡锦康宋盘石张佳辉华周王传晓吴鹤鹤(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204代理人柏尚春(51)Int.Cl.B63H25/10(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法(57)摘要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。CN109436277ACN109436277A权利要求书1/2页1.一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，包括主舵轴和翼舵轴，其特征在于：还包括了安装于船舱内部的驱动电机(208)、ECU控制单元(301)、齿轮传动机构和制动系统；所述的齿轮传动机构包括固定于主舵轴的太阳齿轮(202)和固定于翼舵轴的翼舵齿轮(205)，驱动电机(208)带动太阳齿轮(202)旋转并驱使翼舵齿轮(205)转动，所述的制动系统可以同时或者分别制动太阳齿轮(202)和翼舵齿轮(205)，所述的ECU控制单元(301)控制驱动电机(208)和制动系统。2.根据权利要求1所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，其特征在于：所述的齿轮传动机构还包括主动齿轮(207)、从动齿轮(206)、行星架(201)、行星齿轮(203)及齿圈(204)，主动齿轮(207)受驱动电机(208)控制，从动齿轮(206)与行星架(201)依次安装于主舵轴上端部，主动齿轮(207)与从动齿轮(206)外啮合，行星齿轮(203)位于行星架(201)下方，分别与太阳齿轮(202)和齿圈(204)啮合，从动齿轮(206)可以带动行星齿轮(203)旋转，齿圈(204)内外都有锯齿，翼舵齿轮(205)与齿圈(204)外啮合。3.根据权利要求1所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，其特征在于：所述的制动系统包括了充放气控制单元(101)、电磁阀1(102)、电磁阀2(103)、气路导管(104)、太阳轮制动盘(106)、外圈制动盘(109)、第一复位弹簧(105)、第二复位弹簧(107)、太阳轮制动气缸(110)和外圈制动气缸(108)，充放气控制单元(101)通过气路导管(104)与太阳轮制动气缸(110)、外圈制动气缸(108)相连通，太阳轮制动盘(106)与太阳轮制动气缸(110)通过第一复位弹簧(105)连接，外圈制动盘(109)与外圈制动气缸(108)通过第二复位弹簧(107)连接。4.一种应用于权利要求1所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：(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；(2)船舶航向运动转弯过程中的舵效以转船力矩和操舵时间来表征，采用去单位化和线性加权法，将船舶航向转弯运动过程中的转船力矩和等效舵角两个目标优化问题转换成单目标优化问题，目标函数J为：且γ＝kαα+kββ，其中k1、k2为加权系数，且满足k1+k2＝1，ρ为海水密度，S1为主舵面积，S2为翼舵面积，Mmax为以转船力矩为单目标优化时的最大转船力矩，ν为来流流速，CL为主舵和襟翼舵的等效升力系数，α和β分别为主舵、翼舵转角，kα、kβ分别为与所述齿轮传动机构结构相关的主舵、翼舵转角系数，l为船重心到主舵转轴中心的距离；(3)基于人工智能鱼群优化算法开发上层控制器，将初始化主舵转角α和翼舵转角β视为初始化鱼群，将步骤(2)中的目标函数J对应人工鱼群当前位置的食物浓度，根据海风、海2CN109436277A权利要求书2/2页流、海浪风等输入的干扰项，经过人工智能鱼群算法优化出主舵和翼舵最优的目标角度[α，β]T；(4)基于Backstepping控制理