一种可精确快速到达水下机器人布放位置的舵机控制方法与流程

本发明涉及舵机控制方法，尤其涉及一种可精确快速到达水下机器人布放位置的舵机控制方法。

背景技术：

船舶作为水上机器人的主要搭载平台，在水下机器人需要到指定水域进行水下作业时，往往需要船舶运送到特定水域。而船舶在河道、海面航行时，需要对船舶的航向进行控制，而船用舵机作为船舶转向系统部件，是船舶除主机以外最重要的组成部件，如何保证船舶的安全航行，是非常重要的。近年来，随着内河水道航行条件的改善，以及各地区建设的不断加速和发展，船舶吨位越来越大且船舶的数量越来越多，舵机的安全性、可靠性和控制性不但关乎船舶自身的航行性能和安全，也关系着整个航道中其他船舶的航行安全。

舵机是船舶的重要机械之一，其作用是改变和保持船舶航向。舵机工作直接关系船舶的航行安全，其作用是保证船舶按照要求迅速可靠地将舵叶转到并保持在指定的舵角。船舵主要是由舵叶、舵杆和舵机等组成部分组成。船舵在接到驾驶者的指令来改变船舵的方向主要是依靠舵机带动舵叶实现的。

而现有的舵机主要采用电动舵机，它是采用电动机带动油泵，因此被称为电动舵机，舵机通过油泵输送液压油液，将机械能转化为油液的压力能，然后通过转舵机构把压力能转化为机械能，进而实现对舵的转动作用。一套完整的舵设备一般包括舵叶、舵机、舵角指示器、舵机传动装置和舵角控制装置等构成。

但是现有的舵机液压系统中，由于液压油液在不同压力情况的密度变化、液压油液的体积受到温度变化的影响、液压系统中动作部件的机械的空程误差等因素，在舵机操纵过程中，常常会在液压油泵泵送液压油液的初段出现舵叶并不转动的现象，液压系统的进程过程与回程过程相比存在有较大的误差，同时舵机在回程以及回复过程中速度较慢，这对舵机的精确控制以及快速的操纵产生较大的不利影响。

针对上述问题，本领域中一直致力于改进船舶的舵机。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种可精确快速到达水下机器人布放位置的舵机控制方法，所述舵机包括与舵叶相连接并且带动舵叶转动的舵柄，在舵柄的两端部分别设置有一个舵柄驱动部；所述舵机还包括第一油泵、第一油泵电机、第一驱动油缸、第二油泵、第二油泵电机、第二驱动油缸和油箱，所述第一油泵和第二油泵选用带有保压功能的柱塞泵，所述第一油泵进口与油箱相连，用以从油箱中吸取液压油液，所述第一油泵出口与第一驱动油缸相连，将从油箱中吸取的液压油液输送至第一驱动油缸中，驱动位于第一驱动油缸中的第一活塞移动，所述第一活塞设置有第一活塞杆；所述第二油泵进口与油箱相连，用以从油箱中吸取液压油液，所述第二油泵出口与第二驱动油缸相连，将从油箱中吸取的液压油液输送至第二驱动油缸中，驱动位于第二驱动油缸中的第二活塞移动，所述第二活塞设置有第二活塞杆；在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部之间设置有第一弹性部件，所述第一弹性部件的一端固定地铰接在一个铰接点，所述第一弹性部件的另一端与第一活塞杆的端部抵接，所述一个舵柄驱动部与第一弹性部件的中间部位抵接；在第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部之间设置有第二弹性部件，所述第二弹性部件的一端固定地铰接在一个铰接点，所述第二弹性部件的另一端与第二活塞杆的端部抵接，所述另一个舵柄驱动部与第二弹性部件的中间部位抵接；所述第一弹性部件和第二弹性部件预压缩地设置在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部之间以及第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部之间，并且在舵柄的转动范围内，所述第一弹性部件与第二弹性部件始终处于压缩状态；所述舵机还包括控制器，所述第一驱动油缸上设置有感测第一活塞位移值的第一活塞位移传感器，所述第二驱动油缸上设置有感测第二活塞位移值的第二活塞位移传感器，所述第一油泵上设置有感测第一油泵所转过角度的第一油泵转角传感器，所述第二油泵上设置有感测第二油泵所转过角度的第二油泵转角传感器，所述第一活塞位移传感器、第二活塞位移传感器、第一油泵转角传感器、第二油泵转角传感器、第一油泵电机和第二油泵电机连接到所述控制器；所述第一驱动油缸还设置有用于感测第一驱动油缸内液压油液压力的第一驱动油缸压力传感器，所述第二驱动油缸还设置有用于感测第二驱动油缸内液压油液压力的第二驱动油缸压力传感器，所述第一驱动油缸压力传感器和第二驱动油缸压力传感器连接到所述控制器。

所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：基于第一弹性部件和第二弹性部件的特征曲线以及舵柄的驱动机械结构，建立第一油泵与第二油泵产生的液压压力差值与舵柄转动角度之间的对应关系，并将其储存在控制器中的存储单元中；

步骤2：控制器接收转动舵机的指令；

步骤3：控制器检测当前状态下第一驱动油缸和第二驱动油缸的液压油液的压力值，得到当前状态下的液压压力差值，通过调取存储单元中的数据，得到舵机的当前角度值；

步骤4：控制器控制第一油泵和/或第二油泵，驱动舵柄使舵机转动到指令要求的目标角度。

进一步地，步骤2中的转动舵机的指令是目标角度值、增大角度指令或减小角度指令，其中增大角度指令和减小角度指令的最小步进角度为1°。

进一步地，步骤4中控制器控制第一油泵和/或第二油泵包括如下步骤：

步骤4.1：将接收到的转动舵机的指令与舵机的当前角度值进行比较，来判断舵机转动的调整方向；

步骤4.2：通过读取存储单元中的数据，由接收到的转动舵机的指令确定目标液压压力差值，控制器选择第一油泵和/或第二油泵的调整方式；

步骤4.3：在确定了第一油泵和/或第二油泵的调整方式后，控制器分别读取第一驱动油缸和第二驱动油缸的当前液压压力值：

如果第一驱动油缸或第二驱动油缸的当前液压压力值大于第一阈值时，且第一驱动油缸或第二驱动油缸的目标液压压力值大于当前液压压力值，则控制器采用以第一驱动油缸或第二驱动油缸内的活塞位移值为调整量控制第一油泵或第二油泵；

如果第一驱动油缸或第二驱动油缸的当前液压压力值小于第二阈值时，所述第二阈值小于所述第一阈值，且第一驱动油缸或第二驱动油缸的目标液压压力值小于当前液压压力值，则控制器采用以第一油泵或第二油泵的转动角度为调整量控制第一油泵或第二油泵；

如果第一驱动油缸或第二驱动油缸的液压油液压力的调整位于第一阈值与第二阈值之间，则控制器同时采用以第一驱动油缸或第二驱动油缸内的活塞位移值以及第一油泵或第二油泵的转动角度为调整量控制第一油泵或第二油泵。

进一步地，所述舵机的最大液压压力为15mpa，所述第一阈值为3.3mpa，所述第二阈值为2.7mpa。

进一步地，所述智能控制方法还包括：

步骤5：当所述第一驱动油缸或第二驱动油缸中的液压油液的压力低于当前状态所对应的预定压力以一个预定阈值时，控制器控制第一油泵或第二油泵，用以补偿第一驱动油缸或第二驱动油缸中的液压油液的低的压力。

进一步地，所述舵机还包括舵叶角度传感器，所述智能控制方法还包括：

步骤6：控制器获取所述舵叶角度传感器的数据，利用舵叶角度传感器的数据对步骤3中的当前角度值和步骤4中的目标进行校核，当偏差超过预知限值时，控制器对存储单元中的液压压力差值与舵柄转动角度之间的对应关系进行修改和校正。

实施本发明，具有如下有益效果：使用本发明的舵机以及其舵机控制方法，其不需要设置现有技术中舵机所具有的大量且复杂的液压管路以及阀，而是采用控制第一油泵和第二油泵来驱动舵柄，大大简化了系统结构；同时，在活塞杆与舵柄之间设置弹性部件，且在舵柄的所有工作转角范围内，所述弹性部件都是出于压缩状态，由此能够在一定程度上减弱或消除该舵机中各部件的机械空程和误差；针对舵机在不同状态下的不同特点，控制器采用转角调节、位移调节及其组合的智能控制方法，对第一油泵和/或第二油泵进行控制，使得舵机的调节能够以精准的方式进行，消除了现有技术中舵机调节误差大以及调节回调速度过慢的问题，具有系统结构简单、调节精准、舵机反应快的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的船舶用舵机的结构图。

图2是本发明的船舶用舵机中油泵电机转角与液压系统中液压油液压力的关系曲线。

图3是本发明的船舶用舵机中驱动油缸中活塞的行程与液压系统中液压油液压力的关系曲线。

图4是本发明的船舶用舵机的控制方法。

其中：1.舵柄；2.舵柄驱动部；3.第一弹性部件、第二弹性部件；4.铰接点；5.第一驱动油缸；6.第一油泵；7.第一油泵电机；8.第二驱动油缸；9.第二油泵；10.第二油泵电机；11.油箱；12.控制器；13.第二活塞位移传感器；14.第一活塞位移传感器；15.第二油泵转角传感器；16.第一油泵转角传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提出一种可精确快速到达水下机器人布放位置的舵机控制方法，所述舵机包括与舵叶(图中未示出)相连接并且带动舵叶转动的舵柄1，在舵柄1的两端部分别设置有一个舵柄驱动部2。所述舵机还包括第一油泵6、第一驱动油缸5、第二油泵9、第二驱动油缸8和油箱11。具体地，第一油泵6具有第一油泵电机7，第一油泵电机7驱动第一油泵6；第二油泵9具有第二油泵电机10，第二油泵电机10驱动第二油泵9。

所述第一油泵6的进口与油箱11相连，用以从油箱11中吸取液压油液，所述第一油泵6的出口与第一驱动油缸5相连，将从油箱11中吸取的液压油液输送至第一驱动油缸5中，驱动位于第一驱动油缸5中的第一活塞移动，所述第一活塞设置有第一活塞杆。所述第二油泵9的进口与油箱11相连，用以从油箱11中吸取液压油液，所述第二油泵9的出口与第二驱动油缸8相连，将从油箱11中吸取的液压油液输送至第二驱动油缸8中，驱动位于第二驱动油缸8中的第二活塞移动，所述第二活塞设置有第二活塞杆。

由于在舵机中，各个部件之间的安装配合存在空隙和误差，并且液压系统中常常存在空气或空隙，当液压油液在液压系统中逐渐起压，并推动机械部件动作时，往往存在有“空程问题”。

为了减弱乃至消除上述的空程问题，在本发明的舵机中，在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部2之间设置有第一弹性部件3，所述第一弹性部件3的一端固定地铰接在一个铰接点4，所述第一弹性部件3的另一端与第一活塞杆的端部抵接，所述一个舵柄驱动部2与第一弹性部件的中间部位抵接。在第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部2之间设置有第二弹性部件3，所述第二弹性部件3的一端固定地铰接在一个铰接点4，所述第二弹性部件3的另一端与第二活塞杆的端部抵接，所述另一个舵柄驱动部2与第二弹性部件3的中间部位抵接。进一步地，为了保证控制的精准度，舵柄驱动部2选择为楔形或圆锥形，由此能够减小舵柄驱动部2与第一弹性部件3和第二弹性部件3接触面积对控制的影响。

为了能够减弱乃至消除空程，所述第一弹性部件3和第二弹性部件3是以预压缩的状态被设置在第一、第二活塞杆的端部与舵柄驱动部2之间，并且在舵柄1的全部转动范围内，所述第一弹性部件3与第二弹性部件3始终处于压缩状态。也就是说第一弹性部件3和第二弹性部件3在任何状态下都对舵柄1和活塞杆施加力，而该施加的力能够分别作用于舵柄部分以及驱动油缸和油泵的部分。对于舵柄部分，该施加的力能够机械地消除舵柄与枢转部分、舵叶与舵柄或枢转部分的连接位置处由于空隙或松动引起的空程问题，使得在舵柄的全程转动过程中，空程问题显著地降低和减少。而对于以液压油液作为工作介质的液压部分，该施加的力能够推动第一活塞和第二活塞向回程方向运动或有运动的趋势，而第一活塞和第二活塞能够推动液压油液在系统中以一定的压力保持，由此减弱了液压系统中液压油液在系统中状态或空间变化所引起的空程问题。

特别地说明，本发明由于舍弃了现有的舵机中广泛采用的液压阀和蓄能器等装置，为了能够对液压系统进行保压，所述第一油泵5和第二油泵8选用带有保压功能的柱塞泵，更优选地，选用变流量的带有保压功能的柱塞泵。

进一步地，所述第一弹性部件3与第二弹性部件3选用板簧或膜片弹簧，当然并不限于此，第一弹性部件3和第二弹性部件3可以选用其他任何合适的弹性元件。板簧和膜片弹簧都具有确定的特性曲线，也即行程和压力特性曲线，因而，在发挥第一弹性部件3和第二弹性部件3的减弱空程问题的基础上，能够确定性地对液压系统施加到舵柄1并使舵柄1产生转动的行程进行控制。而由于活塞杆、弹性部件3以及舵柄1的相对机械关系可确定，因而能够通过控制活塞杆的位移量来确定弹性部件3施加到舵柄1的力以及使舵柄转1动的角度，也即舵叶的转动角度。

进一步地，在第一弹性部件3和第二弹性部件3上，可以对铰接点4和舵柄驱动部2之间的间距值与舵柄驱动部2和第一、第二活塞杆的端部之间的间距值的比值进行调整，用以根据实际中活塞杆的行程情况以及舵叶转动角度的要求进行调整，优选地，该比值取自1:1—1:3的范围。

为了对舵机进行调节和控制，本发明的舵机还包括控制器12，所述第一驱动油缸5上设置有感测第一活塞位移值的第一活塞位移传感器14，所述第二驱动油缸8上设置有感测第二活塞位移值的第二活塞位移传感器13，所述第一油泵6上设置有感测第一油泵所转过角度的第一油泵转角传感器16，所述第二油泵9上设置有感测第二油泵所转过角度的第二油泵转角传感器15，所述第一活塞位移传感器14、第二活塞位移传感器13、第一油泵转角传感器16、第二油泵转角传感器15、第一油泵6和第二油泵9连接到所述控制器12。

进一步地，所述第一驱动油缸5还设置有用于感测第一驱动油缸5内液压油液压力的第一驱动油缸压力传感器(图中未示出)，所述第二驱动油缸8还设置有用于感测第二驱动油缸8内液压油液压力的第二驱动油缸压力传感器(图中未示出)，所述第一驱动油缸压力传感器和第二驱动油缸压力传感器连接到所述控制器12。

控制器12接收第一活塞位移传感器14、第二活塞位移传感器13、第一油泵转角传感器16、第二油泵转角传感器15、第一驱动油缸压力传感器、第二驱动油缸压力传感器的数据，并且控制第一油泵电机7和第二油泵电机10的运转来控制液压系统的运行和调整。

以下将介绍控制器12对该舵机的控制：

由于第一弹性部件3和第二弹性部件3的特性，以及该舵机中机械空程以及液压空程的问题存在，以及液压系统的起压特性，在液压系统初期起压工作期间，如图2所示，其示出了第一油泵6和第二油泵9的转角与液压系统中液压油液的压力之间的关系曲线，虽然第一油泵6和第二油泵9开始转动，但是液压系统的起压呈缓慢向上的趋势，而只有当第一油泵6和第二油泵9转动到达一定角度后，此时第一油泵6和第二油泵9的转动角度与液压系统中的液压油液的压力才开始呈现几乎线性的关系。而同样是在液压系统初期起压工作期间，如图3所示，其示出了第一驱动油缸5和第二驱动油缸8的行程与液压系统中液压油液的压力之间的关系曲线，由于弹性部件3对液压系统的初始压力存在，当第一油泵6和第二油泵9开始转动角度并使液压系统缓慢起压，只有当液压系统中的压力超过一定值，此时液压系统才具备足够的压力克服后端的弹性部件以及舵柄和舵叶的阻力的反作用力，此时，第一驱动油缸5和第二驱动油缸8开始产生明显的行程并对舵柄产生推动作用。

由此，本发明的舵机在液压系统初始起压阶段，控制器12采用转角调节的方式控制第一油泵6和第二油泵9，因为在该阶段，如图2所示，转角的调节更具有调节性和调节空间，并且对于压力的调节精度也更高。而当舵机的液压压力达到一定值后，位移调节开始更具有调节性和控制性，其调节的精度也更高。

控制器12在接收到对舵柄进行调节的指令后，首先接收第一驱动油缸压力传感器和第二驱动油缸压力传感器的数据，来判断是否大于上述的特定值，进而控制器12选择不同的控制方法。

在本发明的舵机中，其液压油液的最大压力为15mpa，而上述的特定值为3mpa。在液压压力小于等于3mpa时，控制器12采用转角调节的方式控制第一油泵6和第二油泵9。所述转角调节也即以第一油泵6和第二油泵7所转过的角度为控制量来对第一油泵6和第二油泵9进行控制。

而在液压压力大于3mpa时，控制器采用位移调节的方式控制第一油泵6和第二油泵9。所述位移调节也即以第一驱动油缸5和第二驱动油缸8的行程为控制量来对第一油泵6和第二油泵9进行控制。

由于在该特定值，控制器12需要切换控制方式。而在本领域中，通常情况，为了防止输出调节误差，一般采用的停止采用转角调节的控制方式，然后经过一个间隔时间，之后启动采用位移调节的控制方式。即便这个间隔时间很短，在该间隔时间内第一油泵6和第二油泵9会停止，这就使得控制方式的切换过程对舵机的控制产生不利的波动和影响。针对该问题，本发明提出在特定值附近区域设置一个切换区间，优选地设置为3±0.3mpa，在该期间内，转角调节还未停止，同时启动位移调节，也即在该期间，控制器12同时采用转角调节和位移调节并交叠的方式，使得不存在现有技术的切换方式所带来的不利影响，改善了调整过程的动态性。

更进一步地，在对舵柄进行控制和调节的过程中，即可以使用第一油泵6和第二油泵9中的一个油泵进行控制；也可以控制第一油泵6和第二油泵9同时运行，通过控制第一油泵6和第二油泵9的工作状态，产生不同的压力差来对舵柄进行控制，产生不同的控制特性，使其具备调节速度可调、特点角度的精确稳定保持以及慢速更精准的调节的效果。

具体地，所述舵机控制方法如图4所示：

步骤1：基于第一弹性部件和第二弹性部件的特征曲线以及舵柄的驱动机械结构，建立第一油泵与第二油泵产生的液压压力差值与舵柄转动角度之间的对应关系，并将其储存在控制器中的存储单元中。

步骤2：控制器接收转动舵机的指令。

步骤3：控制器检测当前状态下第一驱动油缸和第二驱动油缸的液压油液的压力值，得到当前状态下的液压压力差值，通过调取存储单元中的数据，得到舵机的当前角度值。

步骤4：控制器控制第一油泵和/或第二油泵，驱动舵柄使舵机转动到指令要求的目标角度。

进一步地，步骤2中的转动舵机的指令是目标角度值、增大角度指令或减小角度指令，其中增大角度指令和减小角度指令的最小步进角度为1°。

进一步地，基于本发明的舵机的结构和控制逻辑，步骤4中控制器控制第一油泵和/或第二油泵包括如下步骤：

步骤4.1：将接收到的转动舵机的指令与舵机的当前角度值进行比较，来判断舵机转动的调整方向。

步骤4.2：通过读取存储单元中的数据，由接收到的转动舵机的指令确定目标液压压力差值，控制器选择第一油泵和/或第二油泵的调整方式。

步骤4.3：在确定了第一油泵和/或第二油泵的调整方式后，控制器分别读取第一驱动油缸和第二驱动油缸的当前液压压力值。

而根据第一驱动油缸和第二驱动油缸的当前液压压力值与目标液压压力值的情况：

1.如果第一驱动油缸或第二驱动油缸的当前液压压力值大于第一阈值时，且第一驱动油缸或第二驱动油缸的目标液压压力值大于当前液压压力值，则控制器采用以第一驱动油缸或第二驱动油缸内的活塞位移值为调整量控制第一油泵或第二油泵；

2.如果第一驱动油缸或第二驱动油缸的当前液压压力值小于第二阈值时，所述第二阈值小于所述第一阈值，且第一驱动油缸或第二驱动油缸的目标液压压力值小于当前液压压力值，则控制器采用以第一油泵或第二油泵的转动角度为调整量控制第一油泵或第二油泵；

3.如果第一驱动油缸或第二驱动油缸的液压油液压力的调整位于第一阈值与第二阈值之间，则控制器同时采用以第一驱动油缸或第二驱动油缸内的活塞位移值以及第一油泵或第二油泵的转动角度为调整量控制第一油泵或第二油泵。

进一步地，所述舵机的最大液压压力为15mpa，所述第一阈值为3.3mpa，所述第二阈值为2.7mpa。

进一步地，当舵机处于某个角度一定时间后，由于系统的泄漏等因素的影响，第一驱动油缸或第二驱动油缸中的液压油液的压力将会降低，这会直接影响到舵机的当前状态。为了解决该问题，所述智能控制方法还包括：

步骤5：当所述第一驱动油缸或第二驱动油缸中的液压油液的压力低于当前状态所对应的预定压力以一个预定阈值时，控制器控制第一油泵或第二油泵，用以补偿第一驱动油缸或第二驱动油缸中的液压油液的低的压力。

实施本发明，具有如下有益效果：使用本发明的舵机及其控制方法，其不需要设置现有技术中舵机所具有的大量且复杂的液压管路以及阀，而是采用控制第一油泵和第二油泵来驱动舵柄，大大简化了系统结构；同时，在活塞杆与舵柄之间设置弹性部件，且在舵柄的所有工作转角范围内，所述弹性部件都是出于压缩状态，由此能够在一定程度上减弱或消除该舵机中各部件的机械空程和误差；针对舵机在不同状态下的不同特点，控制器采用转角调节、位移调节及其组合的方式，对第一油泵和/或第二油泵进行控制，使得舵机的调节能够以精准的方式进行，消除了现有技术中舵机调节误差大以及调节回调速度过慢的问题，具有系统结构简单、调节精准、舵机反应快的优点。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

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