甲板水平姿態自動保持系統的製作方法

2023-05-19 09:39:21 1

甲板水平姿態自動保持系統的製作方法
【專利摘要】一種自動保持船舶局部甲板或儀器設備工作面水平姿態的控制系統，由四象限水平姿態傳感器、控制裝置、伺服機構和甲板框架組成。伺服機構由液壓缸或氣壓缸和電控洩壓閥構成，四個豎直安裝的伺服缸的活塞杆伸出端與框架的四個頂角連結；四象限水平姿態傳感器的坐標原點與甲板或平臺的幾何中心重合，其輸出信號代表傾斜方向和程度，通過比例積分調節器控制伺服機構，以保持框架的水平姿態。
【專利說明】甲板水平姿態自動保持系統
[0001]所屬領域
[0002]本發明屬於有源制蕩【技術領域】，特別是涉及一種自動保持船舶局部甲板水平姿態的控制系統。

【背景技術】
[0003]船舶在風浪作用下產出現俯仰、橫滾姿態變化，甲板或平臺也隨船體呈現縱向和橫向傾斜，致使人員身體不適，儀器和設備工作狀態受到影響。克服上述弊端的現有船舶制蕩技術中，分為無源制蕩和有源制蕩兩大類。無源制蕩措施多在船體結構設計上加以體現，或裝備特殊設計的機械式自平衡裝置；有源制蕩系統需利用輔助能源和動力來消減由於船體姿態變化而導致甲板或平臺呈現的各向傾斜程度，多用於工程和軍用船舶，如船用甲板起重機會因風浪導致船體傾斜而影響吊裝精準度，現有技術是利用縱向與橫向傾斜度傳感器檢測船體姿態，通過起重機臂架控制系統自動調整和補償吊裝幅度，當船體在一定範圍內傾斜時，依然保持規定的精準度。航空母艦在風浪作用下艦體也會產生俯仰、橫滾、沉浮等形態的甲板運動，導致航母上的理想著艦點成為三自由度活動點，增加了艦載機的著艦難度，嚴重影響著艦安全。現有技術是採集甲板運動狀態傳感信息，構成保持迎角恆定的動力補償系統，同時將甲板運動狀態信息引入艦載機自動著艦引導系統，從而使著艦安全度大大提升。上述用於工程和軍用艦船的有源制蕩技術措施十分複雜，成本高昂，不適合作為民用船隻改善舒適度和工作環境的手段。在民用船舶中較多採用的有源制蕩技術措施當屬船舶鰭，即在艦船兩舷的舭部裝一對或多對仿生鰭，由安裝在艦船上的角速度傳感器測量搖擺角速度，經信號處理電路得到角度、角速度和角加速度信號，通過液壓控制系統產生扶正力矩，推動鰭做相應動作來抵消艦船受到的波浪力矩，達到艦船在風浪中減小橫向搖擺的目的，從而大大提高艦船的適航性、穩定性、安全性和舒適性。然而，裝備船舶鰭不僅須在船舶整體結構設計時考慮，而且只能減少整個船體的橫搖幅度。發明專利『斜舵船舶垂蕩和縱搖裝置智能自適應控制方法』(G05B13/04，專利號:201010142184)提出採用測量系統測出斜舵船舶垂蕩與縱搖裝置的狀態參數，經A-D轉換和數字濾波後，再經優化處理作為斜舵船舶垂蕩和縱搖裝置的智能自適應控制系統的輸入，系統輸出控制信號經過D-A轉換器轉化為模擬信號並經功放器件控制執行機構，將整個系統變化到指定的工況下。該方法依然著眼於艦船整體制蕩，實施起來難度大、代價高。實際上，在很多情況下僅僅需要對船舶上的局部場所(如駕駛艙和客艙甲板，儀器設備間的工作平臺等)進行旨在提高適航性、舒適性等指標的改造，需要經濟適用型的解決方案。


【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種自動保持船舶局部場所甲板或平臺水平姿態的有源制蕩系統，毋須對船舶整體結構設計和製造進行較大改動，只須對現有船舶的部分有限空間實施裝修性質的改造即可。該系統包括:四象限水平姿態傳感器、控制裝置、伺服機構以及鋪設甲板或平臺用的框架四部分。各部分結構和作用如下:
[0005]1、四象限水平姿態傳感器(以下簡稱姿態傳感器)用來檢測船體傾斜方向和傾斜程度。姿態傳感器結構:最上層為發光層，內嵌LED發光板；向下依次為透光層，內充深色液體(水)，封閉時留有少許殘留空氣，以便形成用來透射光線的氣泡；與透光層緊挨著的是光電轉換器件的感光面，由相互絕緣的4片方形光電轉換器件按照笛卡爾平面坐標系的四象限位置擺放，背面粘貼在一塊引線電路板的絕緣部分，引線電路板下面固定的是4組光電信號放大與調理電路的電路板，分別對每片光電轉換器件生成的光電信號進行放大和標準化處理，最後形成與1、I1、II1、IV象限光電轉換器件接受光照程度成比例的4路標準信號輸出。當姿態傳感器完全處於水平姿態時，透光層中的氣泡圓心恰位於4片方形光電轉換器件交匯點，亦即四象限坐標原點，此時4片光電轉換器件受照面積相等且都等於氣泡透光面積的四分之一，此時姿態傳感器輸出的4路標準信號也相等。
[0006]2、控制裝置姿態傳感器輸出的4路標準信號，分別接至4臺比例積分調節器的輸入端；姿態傳感器在水平姿態下輸出的標準信號數值即作為各臺比例積分調節器的設定值，比例積分調節器的輸出信號操控伺服機構而使活塞上下移動，帶動與活塞杆伸出端連結的框架四個頂角隨之升降，藉以調整甲板或平臺的姿態。
[0007]3、伺服機構共4組，每組由1個伺服缸(液壓缸或氣壓缸)和一個電控洩壓閥組成，電控洩壓閥的開度與比例積分調節器的輸出信號成正比，與伺服缸內的壓強成反比；伺服缸內壓強下降，推動活塞向上力減小，與該活塞杆伸出端連結的框架一角因自身重力作用而下移；反之，伺服缸內壓強上升，推動活塞向上力增大，將與該活塞杆伸出端連結的框架一角託起。液壓缸的驅動壓力由液壓系統供給，液壓系統由油(水)泵、油(水)箱及連接管路、管件組成；氣壓缸的驅動壓力由壓縮空氣系統供給，壓縮空氣系統由空氣壓縮機、緩衝儲罐及連接管路、管件組成。
[0008]4、框架用以鋪設甲板或工作檯面的整體龍骨框架，框架的四頂角經聯軸節分別與4隻豎直固定安裝在船體底板上的伺服缸的活塞杆伸出端連結。
[0009]船舶甲板水平姿態自動保持系統的工作過程如下:將姿態傳感器固定在甲板或平臺的中央位置，其四象限坐標原點與甲板或平臺的幾何中心重合。當船體向某一方向傾斜時，姿態傳感器透光層內的氣泡移向傾斜的反方向，導致該方向的光電轉換器件受照面積增加，產生的光電流強度加大，從姿態傳感器輸出的該路標準信號也隨之增加，增加的幅度與傾斜程度有關；該標準信號輸至比例積分調節器後，使調節器的輸出控制信號也增強，操控電控洩壓閥的開度加大，導致伺服缸內的壓強降低，對活塞的推力減弱，終使活塞及與活塞杆伸出端連結的框架一角在自身重力作用下下移，從而抵消了因船體傾斜而在此處形成的上浮趨勢；與此同時，由於姿態傳感器透光層內的氣泡從傾斜區域移出，導致該方向的光電轉換器件受照面積縮小，產生的光電流強度減弱，姿態傳感器輸出的標準信號也隨之減小，下降幅度與傾斜程度有關；該標準信號輸入至比例積分調節器後，使調節器輸出的控制信號減弱，操控電控洩壓閥的開度減小，導致伺服缸內的壓強增加，對活塞向上推力加大，推動活塞及與活塞杆伸出端連結的框架一角上升，從而抵消了因船體發生傾斜而在此處形成的下沉趨勢。上述動態過程是在船體發生傾斜的瞬間完成的，總體效果是框架在船體傾斜時依然保持水平姿態。此時姿態傳感器透光層的氣泡復位到四象限坐標原點位置，4片光電轉換器件受照面積重又相等，姿態傳感器輸出的4路標準信號此時也相等且都等於每臺比例積分調節器的設定值，此時調節器的輸出信號卻因有積分作用而保持在不同數值上，與之對應的4個電控洩壓閥的開度也各異，伺服缸內壓強及其形成對活塞的推力不相等，亦即各伺服缸的活塞處於不同位置，以此保持框架處於水平姿態。當船體從一種傾斜狀態轉向反方向傾斜時，上述動作過程正好相反。
[0010]有益效果
[0011]應用本發明提供的船舶甲板水平姿態自動保持系統，可以消除或大大降低船體在風浪作用下產生仰俯、橫滾而給乘客造成的不適感和儀器設備運轉不良程度，提高船舶的適航性、穩定性、安全性和舒適性；又由於本發明解決技術關鍵所採取的元器件除四象限水平姿態傳感器需自製外，其餘部件屬於市售定型產品，價格低廉且易於裝配集成；液壓源或氣源可與船上現有系統共用，更可降低造價和施工量。本發明尤其適用於對現有船舶的駕駛艙、客艙地板，觀光遊艇甲板以及放置儀器設備的平臺進行改造；本發明也同樣適用於行進在複雜地形地貌的特種車輛底盤或車載儀器設備工作檯面水平姿態的自動保持。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結合附圖1、2、3和實施例對本發明進一步說明。
[0013]圖1為船舶甲板水平姿態自動保持系統成套設備與部件連接示意圖。
[0014]圖2為四象限水平姿態傳感器結構示意圖。
[0015]圖3為透光層製作示意圖。
[0016]圖1中，1-框架，2-四象限水平姿態傳感器，3-1象限伺服缸，4-1I象限伺服缸，
5-1II象限伺服缸，6-1V象限伺服缸，7-1象限伺服缸電控洩壓閥，8-1I象限伺服缸電控洩壓閥，9-1II象限伺服缸電控洩壓閥，10-1V象限伺服缸電控洩壓閥，11-油(水)泵或空氣壓縮機，12-油箱或水箱(採用壓縮空氣作為動力源時無需此設備)，13-液壓或氣壓總管，14-洩壓管(液壓系統的回流管或氣壓系統的排空管)，15-船體底板，16-1象限比例積分調節器，17-11象限比例積分調節器，18-111象限比例積分調節器，19-1V象限比例積分調節器;A、B、C、D-框架四頂角與伺服缸3、4、5、6活塞杆伸出端連結點。
[0017]圖2中，2.1-1象限光電轉換器件，2.2-1I象限光電轉換器件，2.3-1II象限光電轉換器件，2.4-1V象限光電轉換器件，2.5-氣泡，2.6-發光層，2.7-透光層，2.8-光電轉換器件引線電路板，2.9-光電信號放大與標準化電路板。
[0018]圖3a.有色液體(水)按照箭頭方向灌入開口薄皿；b.深色液體(水)灌入薄皿封裝後外觀圖，中間圓形為氣泡形成的透光區域。

【具體實施方式】
[0019]1、四象限水平姿態傳感器製作步驟:
[0020](1)發光層發光元件選購市售方形高亮度白色LED陣列，外形尺寸與4片方形光電轉換器件組合尺寸相匹配。
[0021](2)透光層選擇與4片方形光電轉換器件組合面積相匹配、厚度約0.5?1.0mm的兩塊方形無色透明薄片，用厚度為1?2_、寬度為2?3_、長度與薄片邊長相等的同一材質扁條，沿薄片的三邊粘接在兩塊無色透明薄片之間，形成一邊敞口的薄皿(圖3a);向薄皿內灌入有色液體(水)，留有少許空氣，再用一條與上述尺寸相同的扁條將敞口粘貼密封，被封入夾層內的殘留空氣便形成氣泡(圖3b)。
[0022](3)將高亮度LED陣列方塊(2.6)的發光面朝下，與透光層(2.7)的一面緊密接觸；透光層(2.7)的另一面與光電轉換器件(2.1)、(2.2)、(2.3)和(2.4)的感光面緊密接觸，光電轉換器件(2.1)、(2.2)、(2.3)和(2.4)按圖2所示四象限位置擺放，其背面(非感光面)粘貼在一塊尺寸與之相當的引線電路板(2.8)上，4組引出線接放大與信號標準化電路板(2.9)，對每片光電轉換器件生成的光電信號進行放大和調理，形成分別代表位於
1、I1、II1、IV象限光電轉換器件接受光照程度的4路標準信號從電路板(2.9)引出。
[0023](4)將上述幾何尺寸相同的器件疊放在一起並將四周邊緣粘接成一體，構成四象限水平姿態傳感器。
[0024]2、將四象限水平姿態傳感器固定在甲板中心位置，使四象限水平姿態傳感器的四象限坐標原點與甲板中心重合，當船體完全處於水平姿態時，姿態傳感器透光層內的氣泡恰位於坐標原點，4片光電轉換器件的受照射面積完全相同，所生成的4路光電信號強度以及經放大和調理後從電路板(2.9)引出的標準信號也都相等，分別輸至對應的比例積分調節器作為輸入信號，該信號值也作為每臺比例積分調節器的設定值。
[0025]3、初始狀態調整在船體處於穩定的水平姿態時，調整比例積分調節器的控制點，使每臺調節器的輸出信號都在信號變化範圍的中間區間且保持相等，被其操控的4隻電控洩放閥的開度也相等，4個伺服缸內的壓強也相等，活塞位置也都處在同一高度上，此時的甲板也與船體一致處於水平姿態。
[0026]4、動作過程船體出現傾斜後，四象限水平姿態傳感器中的氣泡向傾斜的反方向移去。設船體向AB邊傾斜，則姿態傳感器中的氣泡移向CD邊，處於1、II象限位置的光電轉換器件受照面積因氣泡移出而減少，代表這兩個區域受照面積的姿態傳感器輸出信號減小，導致比例積分調節器(16)和(17)的輸出信號減小，電控洩放閥(7)和⑶的開度也減小，致使伺服缸(3)和(4)內的壓強上升，驅動兩個缸的活塞上移，託起A-B方向的甲板框架，彌補了因船體傾斜而迫使甲板A-B邊下沉的幅度；與此相反，處於II1、IV象限位置光電轉換器件受照面積因氣泡移進而增加，對應的輸出標準信號也加大，導致比例積分調節器(18)和(19)的輸出信號增強，致使電控洩放閥(9)和(10)的開度增大，伺服缸(5)和
(6)內的壓強降低，活塞下移，帶動C-D —邊下降，彌補了因船體向A-B方向傾斜而產生C-D邊上浮的幅度。同理，當船體向ABCD任一點傾斜時，姿態傳感器中的氣泡將不同程度地移出該點所在象限，位於該象限的光電轉換器件受照面積減少，輸出的標準信號減小，導致對應的比例積分調節器的輸出信號強度和電控洩放閥的開度減小，致使支撐該點的伺服缸內壓強上升，活塞上移並推動與活塞杆伸出端連結的框架頂點上移，彌補了因船體向該點傾斜而產生甲板下沉的幅度；另外三個點所在象限的光電轉換器件受照面積有不同程度的增力口，與其所對應的3路輸出標準信號也各有不同程度的增強，導致對應的3臺調節器的輸出信號和電控洩放閥的開度也有不同程度的加大，致使三個伺服缸內的壓強不同程度地降低，對應的活塞不同程度地下移，帶動框架的另外三點不同程度地下沉，彌補了因船體傾斜而導致此三點必然上浮的幅度。通過4個伺服缸活塞位置的不同組合，使四象限水平姿態傳感器的氣泡回到中間位置，從而保持甲板在船體傾斜時仍處於水平姿態，只是在這種情況下4個液壓缸活塞的位置會有所不同，這是由於調節器輸出控制信號中有積分作用的分量，當四象限水平姿態傳感器中的氣泡位於四象限坐標原點時，其4路輸出信號不僅相等而且與4臺比例積分調節器的設定值相等，此時各臺調節器的輸出控制信號便停留在任何值上，亦即4隻洩放閥的開度和對應的伺服缸活塞可以停留在不一定相同但卻適當的位置上，正是由於四個活塞不同位置的組合才能在船體傾斜時總能保持甲板處於水平狀態。
[0027]最佳實施例自製四象限水平姿態傳感器:發光層選用市售高亮度LED陣列；光電轉換器件選購市售光伏電池，信號放大及標準化電路採用通用設計，自製印刷電路板；透光層選擇與4片方形光電轉換器件組合面積相匹配、厚度1.0mm的兩塊無色透明薄片，用厚度為1mm、寬度為2mm、長度與薄片邊長相等的同一材質扁條，沿薄片的三邊粘接在兩片之間，形成一邊敞口的薄皿；向薄皿內灌入加了墨汁的水，稍留空隙，再用上述相同尺寸的扁條將薄皿的敞口密封，由於留有一定的空隙，密封后即形成氣泡，當透光層處於完全水平狀態時，氣泡位於中心；比例積分調節器(16)、(17)、(18)、(19)選購市售比例積分調節器，輸入/輸出信號:4-20mA ；伺服缸選用市售定型產品，缸內徑100mm ；電控洩壓閥選用市售比例電磁閥(德國寶德公司產品)，輸入控制信號為4-20mA，閥芯直徑為2_ ;框架採用鋁合金型材自行加工。
【權利要求】
1.一種自動保持船舶甲板水平姿態的控制系統，由四象限水平姿態傳感器(2)，比例積分調節器(16)、(17)、(18)、(19)，伺服缸(3)、(4)、(5)、(6)和電控洩壓閥(7)、⑶、(9)、(10)，框架(I)以及液壓管線或壓縮空氣管路構成，其特徵是:四象限水平姿態傳感器輸出4路代表四象限光電轉換器件接受光照程度的標準信號，作為比例積分調節器(16)、(17)、(18)、(19)的輸入信號，其輸出控制信號分別接對應的電控洩壓閥(7)、(8)、(9)、(10);框架⑴的四頂角分別與伺服缸(3)、(4)、(5)、(6)的活塞杆伸出端連結。
2.根據權利要求1所述裝置，其特徵是:四象限水平姿態傳感器(2)由發光層(2.6)，透光層(2.7)，光電轉換器件(2.1)、(2.2)、(2.3)、(2.4)，引線電路板(2.8)以及光電信號放大與標準化電路板(2.9)組成，發光層(2.6)的發光元件為高亮度白色LED陣列，透光層由充裝有色液體的透明薄皿構成，其中留有一個氣泡作為透光區域。
3.根據權利要求1所述裝置，其特徵是:光電轉換器件(2.1)、(2.2)、(2.3)、(2.4)可用市售商品四象限探測器晶片代替。
4.根據權利要求1所述裝置，其特徵是:比例積分調節器(16)、(17)、(18)、(19)可用基於微處理器的智能儀表代替。
5.權利要求1所述裝置也適用於船舶上儀器設備工作檯面和在複雜地形地貌行走的特種車輛底盤或車載儀器設備工作檯面水平姿態的自動保持。
【文檔編號】B63B3/48GK104276256SQ201310272620
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月2日 優先權日:2013年7月2日
【發明者】呂武軒 申請人:呂武軒