專(zhuān)利名稱(chēng)：潛器全方位推進(jìn)器控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及潛器控制領(lǐng)域，具體的說(shuō)設(shè)計(jì)一種全方位推進(jìn)器三自由度運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制、螺距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的建模、艏、艉槳協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域的潛器全方位推進(jìn)器控制裝置。
背景技術(shù)：
潛器的常規(guī)推進(jìn)操縱裝置通常由若干個(gè)推進(jìn)器組成，布置在潛器的上下、左右、前后的位置上(如II型潛器，共7只槳；艇后品字形布置3只，上下、左右各1對(duì))以產(chǎn)生上下方向、左右方向和前后方向的推力，來(lái)滿(mǎn)足對(duì)潛器的推進(jìn)和操縱性能的要求，但這樣布置推進(jìn)器，破壞了潛器結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，降低了潛器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得潛器為了滿(mǎn)足強(qiáng)度等要求要相應(yīng)增加結(jié)構(gòu)尺度(如耐壓殼厚度)，推進(jìn)器重量比重增大，同進(jìn)也使得潛器內(nèi)部的布置受到局限。從節(jié)能的意義上講，推進(jìn)器的重量比增大不利于節(jié)能。全方位推進(jìn)器(Variable Vector Propeller)則能解決上述矛盾，它僅在艏、艉配置推進(jìn)器而能根據(jù)需要產(chǎn)生上下、左右、前后六個(gè)方向的推力，同時(shí)這樣并不影響結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度條件要求以及總布置的要求，相應(yīng)地卻能減少推進(jìn)器的數(shù)目，滿(mǎn)足潛器的操縱性能要求，以利于潛器的小型化、輕量化。全方位推進(jìn)器是一種在槳葉旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，通過(guò)槳葉螺距角的周期性變化，使其不僅產(chǎn)生與槳軸平行的軸向推力，也能在側(cè)向產(chǎn)生推力的特種推進(jìn)器。對(duì)于常規(guī)螺旋槳來(lái)說(shuō)，各槳葉同一半徑處的螺距角相等且槳葉沿周向均布，則各槳葉對(duì)應(yīng)葉剖面上的環(huán)量相同，所以各槳葉在不同周向位置上，對(duì)應(yīng)葉元體的切向力是相等的，因而整個(gè)螺旋槳不產(chǎn)生側(cè)向力，只產(chǎn)生軸向力；對(duì)于全方向推進(jìn)器來(lái)說(shuō)，雖然其槳葉也是周向均布，但其葉片幾何螺距角是周期性變化的(一般為正弦或余弦變化規(guī)律)，這樣，當(dāng)葉片處于不同的位置角時(shí)，葉片的攻角也將隨位置角的變化而變化，使得各葉片對(duì)應(yīng)葉元體上的切向力隨位置角變化，則在側(cè)向的分力是不能抵消的，因此在槳葉上將存在側(cè)向力。這表明了全方向推進(jìn)器與常規(guī)螺旋槳的本質(zhì)區(qū)別常規(guī)螺旋槳所產(chǎn)生的軸向力只能使?jié)撈餮仄錁S線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，即縱向運(yùn)動(dòng)；而全方位推進(jìn)器不僅能使?jié)撈鳟a(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng)，而且能產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生這種區(qū)別的原因是葉片螺距角能否周期性變化。
由于全方位推進(jìn)器在產(chǎn)生側(cè)向力的時(shí)候，還產(chǎn)生了力矩，為了清除這一現(xiàn)象，常以?xún)芍蝗轿煌七M(jìn)器前后安裝來(lái)組合使用，使其在產(chǎn)生側(cè)向力、垂向力時(shí)不產(chǎn)生力矩。
因此，使用全方位推進(jìn)器不僅可以實(shí)現(xiàn)普通螺旋槳推進(jìn)器可以實(shí)現(xiàn)的推進(jìn)功能外，還可以實(shí)現(xiàn)橫向和垂直方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于節(jié)能和潛器結(jié)構(gòu)布局，有利于提高潛器的操縱性能。
傳統(tǒng)控制方法一般采用PID控制，隨著人工智能的問(wèn)世，出現(xiàn)了譬如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家機(jī)構(gòu)、遺傳算法等新型智能控制方法。PID控制以其算法簡(jiǎn)單，控制性能好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)至今在液壓伺服機(jī)構(gòu)中仍有廣泛應(yīng)用，但是在控制非線(xiàn)性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程方面，PID則達(dá)不到控制效果或無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制。智能控制在控制非線(xiàn)性、時(shí)變、耦合、參數(shù)不確定、等方面的優(yōu)勢(shì)恰好能夠解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的控制問(wèn)題，因此這里我們采用智能控制與傳統(tǒng)PID控制結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的控制。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)非線(xiàn)性、時(shí)變等問(wèn)題的控制方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛器六自由度運(yùn)動(dòng)的控制，并提高潛器的可操縱性和可控性的潛器全方位推進(jìn)器控制裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括設(shè)置在潛器上的艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器，它還包括設(shè)置在潛器內(nèi)的信息處理智能單元、艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)，信息處理智能單元連接艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)，艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)分別連接艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器，其中艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)均由螺距角控制機(jī)構(gòu)和主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成，螺距角控制機(jī)構(gòu)包括三個(gè)相同的液壓伺服機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明還有這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、所述的螺距角控制機(jī)構(gòu)還包括運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)和機(jī)械傳動(dòng)裝置，三個(gè)相同的液壓伺服機(jī)構(gòu)連接運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)連接機(jī)械傳動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)裝置連接艏部全方位推進(jìn)器或艉部全方位推進(jìn)器；2、所述的機(jī)械傳動(dòng)裝置包括變速桿和連接桿，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)是由內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)和外側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)成的，外側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)與液壓缸相連，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)連接桿直接與變速桿相連，變速桿與螺旋槳相連；3、所述的液壓伺服機(jī)構(gòu)包括控制器、功放裝置、液壓油缸和位移傳感器，信息處理智能單元連接控制器，控制器連接功放裝置，功放裝置連接液壓油缸，液壓油缸連接位移傳感器，位移傳感器連接控制器；4、所述的主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器、功放裝置、電機(jī)、減速器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，信息處理智能單元連接轉(zhuǎn)速控制器，轉(zhuǎn)速控制器連接電流控制器，電流控制器連接功放裝置，功放裝置連接電機(jī)，電機(jī)連接電流傳感器和減速器，電流傳感器連接電流控制器，減速器連接轉(zhuǎn)速傳感器和艏部全方位推進(jìn)器或艉部全方位推進(jìn)器，轉(zhuǎn)速傳感器連接轉(zhuǎn)速控制器。
本發(fā)明采用智能控制和艏、艉槳協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)潛器水下六自由度的操縱，潛器全方位推進(jìn)器控制裝置從控制對(duì)象上來(lái)說(shuō)時(shí)一種全新的控制機(jī)構(gòu)，因?yàn)槿轿煌七M(jìn)器是一種特殊的推進(jìn)裝置，它僅需一個(gè)就可以實(shí)現(xiàn)潛器的六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)；從控制方法上講本控制機(jī)構(gòu)采用智能控制算法與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合的控制方法，提高了控制機(jī)構(gòu)的抗干擾能力，增強(qiáng)控制機(jī)構(gòu)魯棒性能，通過(guò)艏艉槳協(xié)調(diào)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛器航向和深度的控制，與傳統(tǒng)的推進(jìn)器相比，能耗明顯降低。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是這樣的，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)信息處理智能單元的解算處理，輸出信號(hào)分成兩個(gè)部分，一部分是艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)，另外一部分是艉部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)。艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)又分解成兩路信號(hào)，一路信號(hào)作為主軸電力推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)直接輸入到轉(zhuǎn)速控制器中；另一路信號(hào)則作為螺距角控制機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)直接輸入到三個(gè)液壓伺服機(jī)構(gòu)的控制器的輸入端。
現(xiàn)以艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)為例簡(jiǎn)要介紹一下全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)潛器水下六自由度操縱的。
艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)由螺距角控制機(jī)構(gòu)和主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成，螺距角控制機(jī)構(gòu)則由三個(gè)相同的液壓伺服機(jī)構(gòu)構(gòu)成。本發(fā)明主要目的是實(shí)現(xiàn)潛器水下的六自由度運(yùn)動(dòng)，所以這里將主要陳述一下螺距角控制機(jī)構(gòu)三個(gè)液壓伺服機(jī)構(gòu)中的一個(gè)通道的實(shí)現(xiàn)方式及主軸電力推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)。
信息處理智能單元輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的處理轉(zhuǎn)換，將得到的控制信號(hào)輸入到功放裝置，經(jīng)過(guò)功放裝置放大后的控制信號(hào)輸入到液壓缸的輸入端，液壓缸的輸出位移信號(hào)通過(guò)位移傳感器反饋到控制器的輸入端，以達(dá)到校正的目的，使液壓缸的輸出位移最大限度的復(fù)現(xiàn)輸入控制信號(hào)。這是螺距角控制機(jī)構(gòu)三個(gè)相同液壓伺服機(jī)構(gòu)中一個(gè)通道的工作方式，其余兩個(gè)通道與之相同。
三個(gè)液壓伺服機(jī)構(gòu)的輸出即三個(gè)液壓缸的輸出位移直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)三自由度的傾斜和平移運(yùn)動(dòng)。
三自由度運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)傾斜的角度和平移的位置通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置將改變?nèi)轿煌七M(jìn)器的螺距角，進(jìn)而改變?nèi)轿煌七M(jìn)器產(chǎn)生的力的方向和大小。機(jī)械傳動(dòng)裝置一般由變速桿和連接桿構(gòu)成。
主軸電力推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的工作方式是這樣的，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)信息處理智能單元后輸入到轉(zhuǎn)速控制器中，轉(zhuǎn)速控制器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)電流控制器、功放裝置輸入到電機(jī)，電機(jī)的輸出信號(hào)一路輸出到減速器，另一路經(jīng)電流傳感器反饋到電流控制器的輸入端，減速器輸出的信號(hào)一路經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器反饋到轉(zhuǎn)速控制器的輸入端，另一路作為主軸推進(jìn)信號(hào)輸出到全方位推進(jìn)器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于提供了一種全新的推進(jìn)器概念及一套在理論何工程實(shí)際都切實(shí)、可行的控制機(jī)構(gòu)(1)本發(fā)明研究的潛器全方位推進(jìn)器是一種新型的特種推進(jìn)裝置，它可由兩個(gè)螺旋槳代替?zhèn)鹘y(tǒng)的六個(gè)、七個(gè)螺旋槳實(shí)現(xiàn)潛器的推進(jìn)和六自由度操縱性能，克服了傳統(tǒng)的推進(jìn)器由于多螺旋槳的相互耦合產(chǎn)生的負(fù)面影響，從而進(jìn)一步提高了機(jī)構(gòu)的物理可操作性和推進(jìn)器的工作效率。同時(shí)采用全方位推進(jìn)器減少了螺旋槳的個(gè)數(shù)，所以可以?xún)?yōu)化潛器的整體結(jié)構(gòu)布局，對(duì)于潛器的縱深發(fā)展也有極大的助益，并且從節(jié)能意義上講也有重大意義。
(2)本發(fā)明采用坐標(biāo)齊次變換和牛頓-歐拉方程對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，從而建立全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)數(shù)學(xué)模型的建立為全方位推進(jìn)器螺距控制機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)在理論和工程實(shí)際方面奠定了良好的基礎(chǔ)。
(3)本發(fā)明采用艏、艉兩部全方位推進(jìn)器協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制從而實(shí)現(xiàn)潛器水下六自由度的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閱蝹€(gè)全方位推進(jìn)器工作時(shí)，在產(chǎn)生側(cè)向力的同時(shí)也將產(chǎn)生力矩。通過(guò)艏、艉槳全方位推進(jìn)器的組合使用消除這一現(xiàn)象，當(dāng)艏、艉槳逆轉(zhuǎn)，周期螺距角錯(cuò)開(kāi)180度時(shí)，產(chǎn)生側(cè)向力；當(dāng)艏、艉槳逆轉(zhuǎn)，周期螺距角的相位一致時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)艏力矩。因此艏、艉槳全方位推進(jìn)器的協(xié)調(diào)工作產(chǎn)生水下機(jī)器人六自由度的運(yùn)動(dòng)，包括前后運(yùn)動(dòng)、左右橫移運(yùn)動(dòng)、上下升沉運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、航運(yùn)動(dòng)、縱搖運(yùn)動(dòng)和橫搖運(yùn)動(dòng)。
(4)全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)是以非線(xiàn)性、時(shí)變、耦合的機(jī)構(gòu)，因此使用傳統(tǒng)控制方法PID控制方法很難達(dá)到里想得控制效果，因此本發(fā)明采用了智能控制算法與傳統(tǒng)PID控制方法向結(jié)合的新型控制方案，既克服了傳統(tǒng)PID控制方法在控制非線(xiàn)性、時(shí)變及參數(shù)不確定的復(fù)雜機(jī)構(gòu)過(guò)程中控制效果不佳的缺點(diǎn)，又保有了PID控制算法簡(jiǎn)單，控制性能好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)控制效果達(dá)到最佳。


圖1為本發(fā)明全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明液壓缸與斜盤(pán)關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明位置正解反饋補(bǔ)償原理圖；圖4為本發(fā)明變螺距機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；圖5-6為本發(fā)明控制側(cè)向力、轉(zhuǎn)艏力矩示意圖；圖7為本發(fā)明有兩個(gè)全方位推進(jìn)器的潛器示意圖；圖8為本發(fā)明控制前后方向的推力示意圖；圖9為本發(fā)明控制左右方向的推力示意圖10為本發(fā)明控制上下方向的推力示意圖；圖11為本發(fā)明控制偏向力示意圖；圖12為本發(fā)明控制縱向力示意圖；圖13為電機(jī)控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖；圖14為CPLD的電路原理圖；圖15為全方位推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明如下結(jié)合圖1，本發(fā)明包括信息處理智能單元、艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)、艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)、艉部全方位推進(jìn)器和潛器，外部機(jī)構(gòu)連接信息處理智能單元，信息處理智能單元連接艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)，艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)分別連接艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器，艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器連接潛器；其中艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)均由螺距角控制機(jī)構(gòu)和主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成，螺距角控制機(jī)構(gòu)包括三個(gè)相同的液壓伺服機(jī)構(gòu)。所述的螺距角控制機(jī)構(gòu)還包括運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)和機(jī)械傳動(dòng)裝置，三個(gè)相同的液壓伺服機(jī)構(gòu)連接運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)連接機(jī)械傳動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)裝置連接艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器；所述的液壓伺服機(jī)構(gòu)包括控制器、功放裝置、液壓油缸和位移傳感器，信息處理智能單元連接控制器，控制器連接功放裝置，功放裝置連接液壓油缸，液壓油缸連接位移傳感器，位移傳感器連接控制器；所述的主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器、功放裝置、電機(jī)、減速器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，信息處理智能單元連接轉(zhuǎn)速控制器連接電流控制器連接功放裝置，功放裝置連接電機(jī)，電機(jī)連接電流傳感器和減速器，電流傳感器連接電流控制器，減速器連接艏/艉部全方位推進(jìn)器；所述的機(jī)械傳動(dòng)裝置包括變速桿和連接桿。
葉片螺距角是通過(guò)聯(lián)結(jié)到一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)斜盤(pán)上的機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)葉片實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到不同的空間角度，葉片將產(chǎn)生相應(yīng)的螺距角，因此要研究和建立運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度與螺距角之間的數(shù)學(xué)模型，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的控制。本發(fā)明中運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)三個(gè)液壓油缸的位移運(yùn)動(dòng)完成，將三個(gè)液壓油缸位移運(yùn)動(dòng)的組合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)盤(pán)空間三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)(兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角，一個(gè)位移)，而每個(gè)液壓油缸的位移運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)。螺旋槳主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由一套電力推進(jìn)機(jī)構(gòu)來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)。全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
結(jié)合圖1，控制信號(hào)是由輸入指令經(jīng)過(guò)信息處理智能單元的轉(zhuǎn)換生成的，主要是產(chǎn)生針對(duì)艏部和艉部?jī)蓚€(gè)全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)大體上可以分為八道，艏、艉兩個(gè)控制機(jī)構(gòu)各四道輸入控制信號(hào)。艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的四道輸入信號(hào)有三道作為驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)三個(gè)液壓缸的液壓伺服機(jī)構(gòu)的輸入控制信號(hào)，另外一道是主軸電力推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)。液壓伺服機(jī)構(gòu)的三道輸入信號(hào)經(jīng)由每個(gè)通道的控制器處理之后，輸入到功率放大器，放大后的控制信號(hào)直接輸入到液壓缸的輸入端，液壓缸的輸出直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作為位置反饋信號(hào)經(jīng)位移傳感器解算反饋控制器的輸入端，以產(chǎn)生誤差信號(hào)，對(duì)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行校正。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)由機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)改變?nèi)轿煌七M(jìn)器的螺距角。其他兩個(gè)通道的液壓伺服機(jī)構(gòu)的工作方式與之完全相同。主軸電力推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)歷經(jīng)轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器、功放裝置的轉(zhuǎn)換、整流后輸入到電機(jī)中，電機(jī)的輸出信號(hào)經(jīng)減速器后直接驅(qū)動(dòng)全方位推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)的輸出信號(hào)經(jīng)電流傳感器反饋到電流控制器的輸入端，減速器輸出的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器反饋到主軸電力推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的輸入端轉(zhuǎn)速控制器中，以達(dá)到校正電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。艉部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方式與艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的工作方式相同。
圖2為本發(fā)明液壓缸與斜盤(pán)關(guān)系示意圖，結(jié)合圖2，這里主要完成兩方面的工作，艏先是建立運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)位置反解和正解，其次是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的動(dòng)力學(xué)分析，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析是運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)和控制的前提。合理的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)要具有良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)必須能夠滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的參數(shù)指標(biāo)；而且在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的，包括多個(gè)方面的綜合，比如運(yùn)動(dòng)空間最大、液壓缸行程最小和液壓缸受力最小等，這里提到液壓缸行程和液壓缸受力是因?yàn)楸景l(fā)明采用的是液壓伺服機(jī)構(gòu)，當(dāng)然驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也可以采用電動(dòng)或氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。在圖2中艏先建立固定坐標(biāo)系O-XYZ和動(dòng)坐標(biāo)系c-xyz，給出運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)的角度，利用坐標(biāo)變換公式得出運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的變化后的位姿，變化后的位置于初始位置間的差值即可得到運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的位置反解，利用位置反解得到的公式建立一非線(xiàn)性方程組，解此方程組即可得到運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的位置正解。動(dòng)力學(xué)分析是采用簡(jiǎn)化的牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，因?yàn)橐话闱闆r下負(fù)載質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液壓缸和伺服閥的總質(zhì)量，計(jì)算運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各液壓缸必須提供的驅(qū)動(dòng)力，這為液壓控制機(jī)構(gòu)選擇動(dòng)力元件，包括伺服液壓缸和電液伺服閥，提供重要的依據(jù)。
結(jié)合圖3，主要完成利用前面計(jì)算得出的位置正解和反解來(lái)實(shí)現(xiàn)位置正解反饋補(bǔ)償效果。當(dāng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)給定轉(zhuǎn)盤(pán)所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)反解的計(jì)算就可以得出三個(gè)液壓缸的輸出位移，而轉(zhuǎn)盤(pán)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律與期望的運(yùn)動(dòng)之間難免有偏差，而且隨著輸入信號(hào)頻率的增大，實(shí)際的運(yùn)動(dòng)與期望的運(yùn)動(dòng)之間的偏差越來(lái)越大，使機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性變差。為了改善平臺(tái)的動(dòng)態(tài)跟蹤精度，利用正解反饋來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的實(shí)際位姿，將其和期望姿態(tài)之間的偏差反饋到輸入端，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。其工作方式是這樣的，轉(zhuǎn)盤(pán)期望的運(yùn)動(dòng)規(guī)律信號(hào)經(jīng)過(guò)位置反解的解算，得出液壓缸的伸縮規(guī)律，經(jīng)由計(jì)算機(jī)接口機(jī)構(gòu)輸出到電液伺服機(jī)構(gòu)的輸入端，從而驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)電液伺服機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)得出液壓缸實(shí)際伸縮規(guī)律，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)接口機(jī)構(gòu)后的輸出信號(hào)經(jīng)位置正解的解算得出轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，轉(zhuǎn)盤(pán)期望運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間的誤差反饋到位置反解的輸入端，實(shí)現(xiàn)正解校正的目的。
結(jié)合圖4和圖15，這里主要完成的是全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)后半部分的數(shù)學(xué)建模，也就是運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)與全方位推進(jìn)器螺距角之間的數(shù)學(xué)建模。對(duì)于全方位推進(jìn)器來(lái)說(shuō)，螺距角的改變是通過(guò)改變?nèi)~片的葉傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)是由內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)成的，外側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)2是直接與液壓缸1相連的，它在工作時(shí)只進(jìn)行傾斜和平移的運(yùn)動(dòng)，不隨主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)3通過(guò)連接桿6直接與變速桿7相連，它除進(jìn)行傾斜和平移運(yùn)動(dòng)外，還隨主軸一同旋轉(zhuǎn)，變速桿7是改變?nèi)~片5節(jié)距的裝置，轉(zhuǎn)盤(pán)和變速桿形成非常大的作用半徑，因此連接桿6對(duì)全方位推進(jìn)器軸4形成很大傾斜。在內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)和全方位推進(jìn)器軸之間設(shè)計(jì)了勻速球連接，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)一邊保持較大傾斜同時(shí)又可以與推進(jìn)器軸作共同旋轉(zhuǎn)。通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)與全方位推進(jìn)器螺距角間的數(shù)學(xué)模型，使得通過(guò)控制運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)全方位推進(jìn)器的控制，與圖二部分聯(lián)合起來(lái)就得到了全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的完整的數(shù)學(xué)模型，這為實(shí)現(xiàn)對(duì)全方位推進(jìn)器的控制打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為控制機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。
圖5-12為本發(fā)明潛器艏、艉全方位推進(jìn)器協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制組圖。結(jié)合圖5-6，因?yàn)閱蝹€(gè)全方位推進(jìn)器在產(chǎn)生側(cè)向力時(shí)，也將產(chǎn)生力矩。為了消除這一現(xiàn)象，通常采用艏、艉兩個(gè)全方位推進(jìn)器組合使用來(lái)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，使其僅產(chǎn)生側(cè)向力和轉(zhuǎn)艏力矩。結(jié)合圖7，當(dāng)艏、艉槳逆轉(zhuǎn)，周期螺距的相位角錯(cuò)開(kāi)180度時(shí)，產(chǎn)生側(cè)向力；艏、艉槳逆轉(zhuǎn)，周期螺距的相位角一致時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)艏力矩，潛器具有艏、艉兩個(gè)全方位推進(jìn)器。結(jié)合圖8，當(dāng)艏艉槳全方位推進(jìn)器都處于校正螺距狀態(tài)時(shí)，艏、艉槳推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)方向相反或者艏、艉槳推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)方向相同但是旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)沿相反的槳軸方向平移，則全方位推進(jìn)器產(chǎn)生向前或向后的推力，所以此時(shí)潛器作前進(jìn)或后退的運(yùn)動(dòng)。結(jié)合圖9，當(dāng)艏、艉槳全方位推進(jìn)器都處于余弦周期螺距狀態(tài)且艏艉槳全方位推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)方向相反，或者艏部推進(jìn)器與艉部推進(jìn)器的周期螺距角的相位錯(cuò)開(kāi)180°，也就是說(shuō)推進(jìn)器的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)繞Y軸向相反的方向旋轉(zhuǎn)了相同的角度，則全方位推進(jìn)器產(chǎn)生向左或向右的推力，所以潛器有左右方向的位移運(yùn)動(dòng)。結(jié)合圖10，當(dāng)艏、艉槳全方位推進(jìn)器都處于正弦周期螺距狀態(tài)且艏、艉槳全方位推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)方向相反，或者艏部推進(jìn)器與艉部推進(jìn)器的周期螺距角的相位錯(cuò)開(kāi)180°，也就是說(shuō)推進(jìn)器的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)繞Z軸向相反的方向旋轉(zhuǎn)了相同的角度，則全方位推進(jìn)器產(chǎn)生向上或向下的推力，所以潛器有上下方向的位移運(yùn)動(dòng)。結(jié)合圖11，當(dāng)艏、艉槳全方位推進(jìn)器處于不同的正弦周期螺距狀態(tài)時(shí)，艏部推進(jìn)器與艉部推進(jìn)器的周期螺距角的相位錯(cuò)開(kāi)180°，則艏部全方位推進(jìn)器產(chǎn)生向左的推力，艉部全方位推進(jìn)器產(chǎn)生向右的推力，潛器產(chǎn)生向左偏的航行，相反則產(chǎn)生向右的偏航運(yùn)動(dòng)。結(jié)合圖12，當(dāng)艏、艉槳全方位推進(jìn)器處于不同的周期螺距狀態(tài)，艏部推進(jìn)器與艉部推進(jìn)器的周期螺距角的相位錯(cuò)開(kāi)180°，則艏部全方位推進(jìn)器產(chǎn)生向上的力，艉部全方位推進(jìn)器產(chǎn)生向下的力，則潛器產(chǎn)生向上的縱搖運(yùn)動(dòng)。反之產(chǎn)生向下的縱搖運(yùn)動(dòng)。如果要產(chǎn)生橫搖運(yùn)動(dòng)，需要艏部和艉部的全方位推進(jìn)器工作在不同的螺旋槳轉(zhuǎn)速和螺距狀態(tài)，這樣通過(guò)利用固有靜態(tài)穩(wěn)定性和利用搖擺傳感器的自動(dòng)橫向穩(wěn)定控制的方法可以實(shí)現(xiàn)潛器的橫搖運(yùn)動(dòng)。
結(jié)合圖13-14，可編程邏輯器件(CPLD)采用的XC9536XL芯片，CPLD芯片的2-8腳為PWM6-PWM1輸出，分別連接電阻R37-R42到+3.3V電源，7腳為PWM的T1引腳，35腳為PWM的T2引腳，9腳為DRIVE引腳，10、23、31腳接DGND，15腳為T(mén)DI_CPLD輸入，30腳為T(mén)DO_CPLD輸出，16腳為T(mén)MS_CPLD引腳，17腳為T(mén)CK_CPLD引腳，20腳為HV_S引腳，22腳為L(zhǎng)V_S引腳，24腳連接開(kāi)關(guān)S1、電容C48到DGND、連接電阻R103到+3.3V電源，21、32、41腳連接+3.3V電源，25-29、33腳為PWM6O、PWM4O、PWM2O、PWM5O、PWM3O和PWM1O引腳，38腳為IPMF_S引腳，39腳為BREAK引腳，可編程邏輯器件的JTAG-CPLD芯片的TCK1腳為T(mén)CK_CPLD引腳，GND2腳接DGND，TDI3腳為T(mén)DI_CPLD引腳，VCC4腳接+5V電源，TMS5腳為T(mén)MS_CPLD引腳，TDO9腳為T(mén)DO_CPLD引腳，電容C54-C56連接+3.3V到DGND。
權(quán)利要求
1.一種潛器全方位推進(jìn)器控制裝置，它包括設(shè)置在潛器上的艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器，其特征在于它還包括設(shè)置在潛器內(nèi)的信息處理智能單元、艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)，信息處理智能單元連接艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)，艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)分別連接艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器，其中艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)均由螺距角控制機(jī)構(gòu)和主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成，螺距角控制機(jī)構(gòu)包括三個(gè)相同的液壓伺服機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的港器全方位推進(jìn)器控制裝置，其特征在于所述的螺距角控制機(jī)構(gòu)還包括運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)和機(jī)械傳動(dòng)裝置，三個(gè)相同的液壓伺服機(jī)構(gòu)連接運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)連接機(jī)械傳動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)裝置連接艏部全方位推進(jìn)器或艉部全方位推進(jìn)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的潛器全方位推進(jìn)器控制裝置，其特征在于所述的機(jī)械傳動(dòng)裝置包括變速桿和連接桿，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)是由內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)和外側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)成的，外側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)與液壓缸相連，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)連接桿直接與變速桿相連，變速桿與螺旋槳相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的潛器全方位推進(jìn)器控制裝置，其特征在于所述的液壓伺服機(jī)構(gòu)包括控制器、功放裝置、液壓油缸和位移傳感器，信息處理智能單元連接控制器，控制器連接功放裝置，功放裝置連接液壓油缸，液壓油缸連接位移傳感器，位移傳感器連接控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的潛器全方位推進(jìn)器控制裝置，其特征在于所述的主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器、功放裝置、電機(jī)、減速器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，信息處理智能單元連接轉(zhuǎn)速控制器，轉(zhuǎn)速控制器連接電流控制器，電流控制器連接功放裝置，功放裝置連接電機(jī)，電機(jī)連接電流傳感器和減速器，電流傳感器連接電流控制器，減速器連接轉(zhuǎn)速傳感器和艏部全方位推進(jìn)器或艉部全方位推進(jìn)器，轉(zhuǎn)速傳感器連接轉(zhuǎn)速控制器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠解決全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)非線(xiàn)性、時(shí)變等問(wèn)題的控制方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛器六自由度運(yùn)動(dòng)的控制，并提高潛器的可操縱性和可控性的潛器全方位推進(jìn)器控制裝置。它包括信息處理智能單元、艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)、艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)、艉部全方位推進(jìn)器和潛器，外部機(jī)構(gòu)連接信息處理智能單元，信息處理智能單元連接艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)，艏部全方位推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)和艉部螺旋槳控制機(jī)構(gòu)分別連接艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器，艏部全方位推進(jìn)器和艉部全方位推進(jìn)器連接潛器。
文檔編號(hào)G05B19/05GK101024419SQ20071007166
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月19日
發(fā)明者劉勝, 鄭秀麗, 李冰, 史洪宇, 宋佳 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)