买专利卖专利找龙图腾，真高效！ 查专利查商标用IPTOP,全免费！专利年费监控用IP管家,真方便！

申请/专利权人：上海海事大学

摘要：本发明涉及现代三角帆船帆的自动控制领域，对现有的帆自动控制装置和方法进行了优化，在以往基础上改善装置结构并加入姿态传感器以增加安全性，能够保证在帆的自动控制时船舶倾斜在安全值之内。本发明提出一种最大船速跟踪和自学习方法，既可以根据控帆数据表中的风舷角数据直接控制帆角到达指定位置，也能针对不同的帆船或同一帆船的不同姿态、帆的型号等变化，自主学习获得最适合该船的风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角等数据，并具有终身学习的能力，可以最大程度地利用风力使帆船获得最佳的速度，能够适应更多、更复杂的船体与环境变化。

主权项：1.一种主帆自动控制装置的最大船速跟踪和自学习方法，主帆自动控制装置包括传感模块、控制模块、运动模块、人机交互模块；传感模块包括风向风速仪、帆角检测仪、姿态仪、多普勒计程仪；控制模块包括控制器、存储器；运动模块包括电机组、绞盘、撩绳；人机交互模块包括显示器、MST按钮；所述风向风速仪安装在帆船桅杆顶端，多普勒计程仪安装在帆船底部，帆角检测仪安装在横杆与桅杆之间，姿态仪安装在船舯，控制器、显示器和电机组安装在船舷上；所述风向风速仪测量风舷角和风速；多普勒计程仪测量船速；帆角检测仪测量帆船横杆位置；姿态仪检测船舶横倾角和纵倾角；控制器读取、处理和存储从风向风速仪、帆角检测仪、姿态仪、多普勒计程仪接收到的传感数据,并向电机组下达指令；电机组执行传感器的指令使缭绳产生收或放的动作，从而实现自动调整横杆位置；显示器显示内容包括时间、航向、航速、航程、风舷角、风速、坐标、蓄电池组电量，以及按钮档位：LMH档位，其中L档位对应航速小于5节，M档位对应航速小于10节,H档位对应航速大于15节；存储器存储控帆数据表及系统程序；MST按钮启动对控帆数据表的更新，控制器根据更新的控帆数据表控制帆船的运动；控制器中包含数据读取模块、数据处理模块、数据存储模块、PID控制器；控帆数据表中有风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角六种类型的数据；风舷角、横倾角、纵倾角和帆角的默认精度为1°，风速默认精度为1ms；适航风速默认极限值为18ms，横倾默认极限值为左右各45°，纵倾默认极限值为前后各20°；对应的，每一个风舷角对应18个风速数据，每一个风速对应90个横倾数据，每一个横倾角对应40个纵倾角数据，每一个纵倾角对应一个帆角数据；风舷角数据有360个；风速数据为6480个，横倾角数据为583200个，纵倾角数据为23328000个，纵倾角与帆角一一对应；以上数据的精度、极限值通过人机交互界面进行自定义设置，相对应的每层数据量随之发生变化；其特征在于，最大船速跟踪和自学习方法包括以下步骤：步骤一：检测是否启动帆自动控制模式，如果是，转到下一步；否则帆自动控制系统不开启；步骤二：通过人机交互界面设置控制器处理风向风速仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪数据的精度和极限值；步骤三：风向风速仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪采集数据；步骤四：控制器读取风向风速仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪采集的数据，根据控帆数据表处理数据，并输出控制指令到电机组；步骤五：电机组根据控制器的控制指令通过绞盘、缭绳控制主帆，使帆角达到指定角度；步骤六：检测船舶倾斜姿态是否在设定的安全范围内，否则松帆到安全值；步骤七：通过PID技术进行帆角维持；如果检测到开启帆手动模式，则关闭帆自自动控制模式，结束帆自动控制步骤；步骤八：如果检测到风舷角、风速、横倾角、纵倾角的改变，转到步骤三；步骤九：如果检测到按下MST按钮，开始最大船速跟踪和自学习步骤；步骤十：判断此时帆角和最优帆角的大小关系；记录帆角θ和船速v，收帆到θ’，检测此时v’，比较v和v’的大小关系；步骤十一：如果v’＞v，说明此时帆角比最优帆角大，应该开始收帆，转到步步骤十三；否则进行步骤十二；步骤十二：v’＜v，说明此时帆角比最优帆角小，应该开始松帆，转到步骤十四；步骤十三：使帆角向最优帆角靠近，收帆到θ’，测船速v’，判断v’＞v，如果是，则θ＝θ’；重复步骤十三，直到v’＜v；如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值；转到步骤十五；步骤十四：使帆角向最优帆角靠近；松帆到θ’，测船速v’，判断v’＞v，如果是，则θ＝θ’；重复步骤十四，直到v’＜v；如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值；转到步骤十五；步骤十五：记录此时风速、横倾角、纵倾角数据，此时系统自动跟踪到最大船速，结束最大船速跟踪和自学习步骤，转到步骤七。

全文数据：主帆自动控制装置及最大船速跟踪和自学习控制方法技术领域[0001]本发明涉及现代三角帆船帆的自动控制领域，尤其涉及使用最大船速跟踪和自学习方法的主帆自动控制装置。背景技术[0002]帆船作为绿色、时尚的绅士运动，受到了越来越多人的喜爱，但帆船的操作特别是帆的操作需要技巧和经验。由于每艘船的结构和性能不同，不同类型的船、或者同一条船采用不同的帆都会对船舶的速度性能产生影响，要准确绘出每一条船的风舷角-风速-速度曲线图是不容易的，因为能对帆船速度产生影响的因素太多了。通常情况下，实现帆船不同航行状态下帆的控制是一件很复杂的事情，人工控制帆主要是通过观察帆正面和背面的飘带飞扬状态，根据经验和技巧来调整帆的收和松。航向、风向稍有改变甚至收紧和放松斜拉绳或者换一种帆都会改变帆的迎风状态，从而使最优帆角产生偏移，缭手需要频繁地调整帆的位置才能保持帆船的最佳速度，如果长途航行的话是很消耗体力的。[0003]现有关于帆的自动控制方法总体可以分为两种，一种是驾驶员使用机械装置间接控制帆，装置接收驾驶员控制指令执行收帆动作或张帆动作。另一种是根据检测到的风向、风速等数据，自动控制到程序已经设定好的帆角。中安消技术有限公司提出的“一种风帆控制机构、控制方法及帆船”的发明方案中自动控帆是第一种模式。上海珐伊玻璃钢船艇有限公司提出的“一种龙骨帆船的自动控帆系统”的发明方案中自动控帆是第二种模式。这两种模式的不足之处有:一是控帆所依据数据只有风舷角或风速，没有考虑到船舶的倾斜等其它数据。二是没有最佳船速检测系统，不能完全发挥出帆的性能而产生最高的速度。三是系统没有自我学习和更新功能，系统设置好的控制程序不能很好的适应更多的环境和帆船变化。发明内容[0004]本发明设计使用一种使用最大船速跟踪和自学习方法的主帆控制装置，能够产生更接近于富有经验的船员操纵出来的速度，使用本发明装置的帆船会有更好的速度表现。本发明的主要目的在于能够更好的实现主帆的控制、减轻帆船驾驶体力劳动强度。为实现上述目标，使帆船能自动在不同的风向、风速、倾斜状态和航向中获取最大的风力，并具有系统的终身学习能力，本发明的技术方案通过以下几个方面予以阐述：[0005]—、为使本发明的方法和装置更容易理解，本发明相关的概念及定义如下：[0006]1.视风向与船首线的夹角为风舷角，记为Qw，右舷受风，风舷角为正数;左舷受风，风舷角为负数。[0007]2.主帆横杆与船首向反方向的角度称为帆角，记为Θ，帆在右舷时帆角为正，帆在左舷时帆角为负。[0008]3.MST，最大船速跟踪MaximumSpeedTracking。[0009]4.控帆数据表，控制帆船帆的数据表，列出了和帆的角度有关的数据。表中有风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角六种类型的数据。初始值只给出了风舷角和帆角的对应数据，风速、横倾角、纵倾角和航速的数据通过自学习获得。该表初始值中风舷角和帆角的对应关系是根据下面3个特殊状态得到的，其他数据线性内插：[0010]1顶风-近风风舷角为〇°—±45°，约90°的禁航区，帆船在此范围内无法航行），主帆收紧帆角为0°;[0011]2正横风风舷角为90°和-90°，主帆放出一半帆角为-45°和45°[0012]3顺风风舷角为180°或-180°，主帆完全放出（帆角为-90°或90°。[0013]表1控帆数据表[0014][0015]控帆数据表初始数据没有风速、横倾角、纵倾角和航速的数据，这四种数据在启动MST程序后自主学习获得，并且对应的帆角也会更新。正顺风状态是左舷风和右舷风的临界值，帆角很不稳定，航行时应避免长时间处于该种状态。[0016]5.控帆数据表的数据种类，是指风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角，共有六种。本发明中风舷角、横倾角、纵倾角和帆角的默认精度为1°，风速默认精度为lms。适航风速默认极限值为18ms，横倾默认极限值为左右各45°，纵倾默认极限值为前后各20°。对应的，每一个风舷角对应18个风速数据，每一个风速对应90个横倾数据，每一个横倾角对应40个纵倾角数据，每一个纵倾角对应一个帆角数据。因此，风舷角数据有360个;风速数据为6480个，横倾角数据为583200个，纵倾角数据为23328000个，纵倾角与航速和帆角一一对应。以上精度、极限值等数据可以通过人机交互界面进行自定义设置，相对应的每层数据量也会发生变化。[0017]6.PID控制器，是一种反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。[0018]7.帆角维持，是在风舷角、风速、横倾角、纵倾角都不变的情况下，维持帆角在已经控制到的角度稳定不变，本发明是利用PID控制器来进行帆角维持的。[0019]8.最大船速跟踪和自学习，是指在电机组已经根据当前的风舷角运转到控帆数据表中对应的帆角之后，在风舷角、风速、横倾角、纵倾角都稳定不变的情况下，通过本发明的控制方法实现帆船速度最大，达到和富有经验的船员能控制出来的速度一样，并更新控帆数据表中的风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角的数据实现自学习。[0020]9.绞盘，是一种安装在电机组转轴上的线盘，通过电机转轴的转动可以实现撩绳的收和放。[0021]10.撩绳，是一种通过收缩或放松控制横杆位置即帆角）的绳索。[0022]二、本发明使用最大船速跟踪和自学习方法的主帆自动控制装置的技术方案如下:本发明包括风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪、控制器、电机组、显示器、MST按钮。在帆船桅杆顶端安装风向风速仪，在帆船底部安装多普勒计程仪，在横杆与桅杆之间安装帆角检测仪，船舯安装姿态仪，船舷上安装控制器、显示器和电机组。风速风向仪，是一种能测量风舷角和风速的传感仪器;多普勒计程仪是一种能够测量船速的传感仪器；帆角检测仪是能够测量帆船横杆位置的传感仪器;姿态仪是一种能够检测船舶横倾和纵倾状态的传感仪器;控制器用于传感器数据的读取、处理和存储，并向电机组下达指令；电机组能够执行传感器的指令使缭绳产生收或放的动作，从而实现自动调整横杆位置（即帆角）；显示器显示内容有:时间、风舷角、风速、航速、车钟位LMH档位）、帆操纵模式、MST按钮等数据。帆操纵模式有:帆自动控制模式与帆手动控制模式。L档位对应航速小于5节，M档位对应航速小于10节，H档位对应航速大于15节。只有按下MST按钮，控制器才会启动MST和控制程序自更新功能。[0023]三、本发明使用最大船速跟踪和自学习方法的主帆自动控制装置的控制步骤如下：[0024]步骤一:开航前通过人机交互界面设置控制器处理风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪数据的精度、极限值。[0025]步骤二:风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪采集数据；[0026]步骤三:控制器实时读取传感器数据，根据控帆数据表处理数据，并输出控制指令到电机组；[0027]步骤四：电机组根据控制器的控制指令通过绞盘和缭绳控制主帆，使帆角达到指定角度；[0028]步骤五:检测船舶倾斜姿态是否在设定的安全范围内，否则松帆到安全值。[0029]步骤六:通过PID控制器进行帆角维持。[0030]步骤七:如果检测到风舷角、风速、横倾角、纵倾角的改变，重复上面步骤。[0031]步骤八:如果检测到按下MST按钮，开始最大船速跟踪和自学习步骤。[0032]步骤九：判断此时帆角和最优帆角的大小关系。记录帆角Θ和船速V，收帆到θ’，检测此时V’，比较V和V’的大小关系，有两种结果（由于帆角发生了变化，V和V’不会出现相等的情况。[0033]步骤十:如果ν’ν，说明此时帆角比最优帆角大，应该开始收帆，转到步骤十二。否则进行步骤十一。[0034]步骤^^一:ν’v，如果是，则Θ=0’。重复步骤十二，直到V’v，如果是，则Θ=0’。重复步骤十三，直到V’ν，说明此时帆角比最优帆角大，应该开始收帆，转到步骤十三。否则进行步骤十二。[0076]步骤十二:ν’v，如果是，则Θ=0’。重复步骤十三，直到V’ν，如果是，则Θ=θ’。重复步骤十四，直到ν’ν。如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值。转到步骤十五。[0079]步骤十五:记录此时风速、横倾角、纵倾角和航速数据，此时系统自动跟踪到最大船速，结束最大船速跟踪和自学习步骤，转到步骤七。[0080]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换比如替换为其它具有相同功能的传感器和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种主帆自动控制装置，其特征在于包括传感模块、控制模块、运动模块、人机交互模块;传感模块包括风速风向仪、帆角检测仪、姿态仪、多普勒计程仪;控制模块包括控制器、存储器;运动模块包括电机组、绞盘、撩绳;人机交互模块包括显示器、MST按钮;所述风向风速仪安装在帆船桅杆顶端，多普勒计程仪安装在帆船底部，帆角检测仪安装在横杆与桅杆之间，姿态仪安装在船舯，控制器、显示器和电机组安装在船舷上;所述风速风向仪测量风舷角和风速;多普勒计程仪测量船速;帆角检测仪测量帆船横杆位置;姿态仪检测船舶横倾角和纵倾角;控制器读取、处理和存储从风速风向仪、帆角检测仪、姿态仪、多普勒计程仪接收到的传感数据，并向电机组下达指令；电机组执行传感器的指令使缭绳产生收或放的动作，从而实现自动调整横杆位置;显示器显示内容包括时间、航向、航速、航程、风舷角、风速、坐标、蓄电池组电量，以及按钮档位:LMH档位，其中L档位对应航速小于5节，M档位对应航速小于10节，H档位对应航速大于15节;存储器存储控帆数据表及系统程序;MST按钮启动对控帆数据表的更新，控制器根据更新的控帆数据表控制帆船的运动;控制器中包含数据读取模块、数据处理模块、数据存储模块、PID控制器。2.如权利要求1所述的主帆自动控制装置，其特征在于控帆数据表中有风舷角、风速、横倾角、纵倾角、航速和帆角六种类型的数据;风舷角、横倾角、纵倾角和帆角的默认精度为1°，风速默认精度为lms;适航风速默认极限值为18ms，横倾默认极限值为左右各45°，纵倾默认极限值为前后各20°;对应的，每一个风舷角对应18个风速数据，每一个风速对应90个横倾数据，每一个横倾角对应40个纵倾角数据，每一个纵倾角对应一个帆角数据;风舷角数据有360个;风速数据为6480个，横倾角数据为583200个，纵倾角数据为23328000个，纵倾角与帆角一一对应；以上数据的精度、极限值通过人机交互界面进行自定义设置，相对应的每层数据量随之发生变化。3.—种如权利要求2所述的主帆自动控制装置的最大船速跟踪和自学习方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一:检测是否启动帆自动控制模式，如果是，转到下一步；否则帆自动控制系统不开启；步骤二:通过人机交互界面设置控制器处理风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪数据的精度和极限值；步骤三:风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪采集数据；步骤四：控制器读取风速风向仪、多普勒计程仪、帆角检测仪、姿态仪采集的数据，根据控帆数据表处理数据，并输出控制指令到电机组；步骤五：电机组根据控制器的控制指令通过绞盘、缭绳控制主帆，使帆角达到指定角度；步骤六:检测船舶倾斜姿态是否在设定的安全范围内，否则松帆到安全值；步骤七:通过PID技术进行帆角维持;如果检测到开启帆手动模式，则关闭帆自自动控制模式，结束帆自动控制步骤；步骤八:如果检测到风舷角、风速、横倾角、纵倾角的改变，转到步骤三；步骤九:如果检测到按下MST按钮，开始最大船速跟踪和自学习步骤；步骤十:判断此时帆角和最优帆角的大小关系；记录帆角Θ和船速V，收帆到θ’，检测此时V’，比较V和V’的大小关系；步骤i^一：如果ν’v，说明此时帆角比最优帆角大，应该开始收帆，转到步步骤十三；否则进行步骤十二；步骤十二:V’V，如果是，则θ=θ’；重复步骤十三，直到V’V，如果是，则θ=θ’；重复步骤十四，直到V’V;如果检测船舶倾斜姿态超过了设定的安全范围，则松帆到安全值;转到步骤十五；步骤十五:记录此时风速、横倾角、纵倾角数据，此时系统自动跟踪到最大船速，结束最大船速跟踪和自学习步骤，转到步骤七。

百度查询： 上海海事大学 主帆自动控制装置及最大船速跟踪和自学习控制方法