CN102171095B - 操纵杆控制的船用操纵*** - Google Patents

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Abstract

一种用于船舶的船用推进和转向***具有多种运行模式，具有轴向推进***、操纵推进***和操纵控制***，该操纵控制***包括领航员可控操纵杆，该操纵杆用于生成表示领航员预期的船舶运动的推进和操纵控制输入。输入环响应于操纵杆控制输入而生成表示领航员预期的船舶运动的幅度和方向的操纵指令，而致动器环控制器响应于来自该输入环的操纵指令而向船舶推进和操纵***生成相应的船舶控制指令。

Description

操纵杆控制的船用操纵***
技术领域
本发明涉及一种用于轮船的操纵杆控制的操纵***，并且具体地涉及一种具有输入环和致动器环的操纵杆操纵控制器，该输入环将用户操纵杆操纵输入转化成相应的轮船操纵指令，而该致动器环将轮船操纵指令转化成相应的轮船控制器和推进***指令输入。
背景技术
各种尺寸和功能的海船需要在狭窄或受限的水域中精确控制导航的能力，所述海船包括并且范围例如从游艇、捕鱼船和作业船、游轮以及参观小港口、峡湾、河口或其它有趣的狭窄区域的渡船到较大的船舶，所述作业船诸如是拖船、各种港口船、测量船、打捞船、补给船和海上作业船，所述较大的船舶由于其尺寸和/或吃水而发现自己处于实际上狭窄的水域中，诸如较大的游船或客船、油轮、货船、钻机和平台等。这些船舶从而经常需要用于精确可控的平移运动，即直线运动，以及绕竖直延伸通过船舶中心线的固定轴线的精确可控的旋转的能力。
这些需求典型地并且通常通过包括传统的推进和导航***的操纵和推进***来满足，该传统的推进和导航***由一个或多个可转向舵以及一个或多个与操纵***结合的可独立控制的推进器组成，该操纵***包括一个或多个固定的或可转向的助推器，所述助推器例如是泵的或导管推进器的助推器。
然而，此组合推进和操纵***遭受许多缺点和问题，这些缺点和问题中最普遍和持久的一个是当通过此***进行控制时，每个此***就其自身特性和船舶本身的操纵特性而言通常是唯一的。由此，将要 领航配设此推进和操纵***的船舶的每个人需要对船舶和该推进和操纵***进行单独地学习和广泛地实践，以便将推进和操纵***以及船舶的单独的且唯一的操纵特性掌握到对船舶进行安全导航所必须的程度。这些问题是复合的，因为诸如主发动机、舵以及船首和船尾助推器的每个推进***每个均具有其自己独立的用户界面。此外，人员针对一艘船舶以及推进和操纵***所获得的知识和经历在最好的情况下仅可部分地传递给不同的船舶以及推进和操纵***，使得必须大致对每个新的船舶以及推进和操纵***从头开始重新学习。
还必须注意的是，船舶及其推进和操纵***的特性必须单独地确定，例如当船舶以及推进和操纵***最初建造和交付使用时或当将此推进和操纵***添加到现有船舶时。在船舶或推进和操纵***有任何明显的改变或修改时必须重复此过程，这可能影响船舶或推进和操纵***的操纵特性。
然而新的或修改的船舶或推进和操纵***的操纵特性的确定是漫长和昂贵的过程，诸如为自动控制***执行的“系船柱”试验。在针对自动控制***的系船柱试验中，将船舶系泊到固定系船柱装置，并且在对船舶以及推进和操纵***在其整个操纵和推进能力范围上进行训练时，测量由船舶施加在系泊设备上的力。一般地，根据船舶以及推进和操纵***的测量和物理参数，诸如船舶尺寸、风力影响、质量等，利用所计算的船舶的响应来计算船舶以及推进和操纵***的可能操纵特性。
然而，显然的是，所计算的船舶以及推进和操纵***的操纵特性可能不精确乃至不足以表示船舶以及推进和操纵***的实际操纵特性，特别是在诸如风和水流的影响或船舶装载的影响的实际运行条件下。因此，在没有在实际运行条件下获取对船舶以及推进和操纵***的足够实际经历之前，对船舶以及推进和操纵***的实际操纵特性的认知未达到预期的信心水平。还将认识到，预期领航船舶的人员不能 根据所计算的特性了解船舶或推进和操纵***的操纵特性，并且对于每个船舶以及推进和操纵***必须通过对船舶以及推进和操纵***的实际经历来再次学习这些事项。
本发明提供一种针对现有技术的这些和相关问题的解决方案。
发明内容
本发明致力于一种用于船舶的船用推进和转向***，该船用推进和转向***具有多种运行模式并且包括船舶推进***，该船舶推进***包括轴向推进***、操纵推进***和操纵***，该轴向推进***包括用于控制船舶的轴向运动的至少一个发动机，该操纵推进***包括至少一个可控助推器，所述至少一个可控助推器用于控制船舶的旋转运动和平移运动。
该操纵***包括至少一个领航员可控操纵杆以及操纵处理器，该至少一个领航员可控操纵杆用于生成表示领航员预期的船舶运动的推进和操纵控制输入，而该操纵处理器包括输入环控制器和致动器环控制器，该输入环控制器和致动器环控制器响应于领航员操纵杆控制输入，用于向该至少一个助推器和向该至少一个发动机生成相应的控制输出，以按照操纵杆控制输入控制船舶的平移运动和旋转运动。
该输入环控制器响应于操纵杆控制输入以生成表示领航员预期的船舶的力的幅度和方向的操纵指令，而该致动器环控制器响应于来自输入环控制器的操纵指令以向船舶推进***生成相应的船舶控制指令，从而产生推进和操纵力，以致使船舶按照操纵杆输入指令而移动。
此外本发明致力于一种用于控制船舶推进***的方法，该船舶推进***包括操纵杆控制、轴向推进***和操纵推进***，在该操纵杆控制中操纵杆绕操纵杆的运动轴的运动向船舶推进***提供相应的运动控制指令，该轴向推进***包括用于控制船舶的轴向运动的至少第 一发动机以及用于控制船舶的运动方向的舵、用于控制船舶的轴向运动和方向运动的第二发动机中的至少一个，该操纵推进***包括用于控制船舶的旋转运动和平移运动的至少一个可操纵和/或可控助推器。
根据本发明，操作者从正常运行模式、保持方位运行模式、保持位置运行模式以及组合的保持方位和保持位置运行模式中选择一种运行模式。当处于正常运行模式中时，船舶的所有航向、轴向运动、旋转运动和横向运动均由操纵杆控制输入、通过相应的操纵杆控制输入来控制。当处于保持方位运行模式中时，***保持船舶的当前方位恒定并且通过相应的操纵杆输入来控制船舶的轴向运动和横向运动。当处于保持位置运行模式中时，***以船舶致动器的最佳能力保持当前的船舶位置恒定，并且当处于组合保持方位和保持位置运行模式中时，***保持当前船舶方位和位置恒定。
在用于控制船舶推进***的方法的另一实施方式中，该***包括基本推进运行模式、操纵运行模式以及驱动运行模式中的至少一个。在该基本推进运行模式中，船舶轴向运动指令根据操纵杆的相应运动生成，而船舶旋转指令根据操纵杆的相应旋转运动生成，并且通过操纵杆的横向运动命令该***进入操纵运行模式，或者当操纵杆的生成轴向运动指令的运动超过驱动模式设定点时，命令***进入驱动运行模式。在操纵运行模式中，船舶横向运动指令通过操纵杆的相应横向运动生成，而船舶轴向运动指令通过操纵杆的超过驱动模式设定点的相应运动生成。在驱动运行模式中，船舶轴向运动指令通过操纵杆的相应运动生成，而舵转向指令以及第一发动机和第二发动机转向指令中的至少一个根据操纵杆的相应横向运动生成。
如此处结合助推器所使用的，术语“可转向”意指助推器能够在至少两个相反方向上产生转向力。
附图说明
现有技术的上文讨论的方面以及本发明的下文讨论的方面在图中示出，其中：
图1A-图1J是可通过本发明的推进和操纵***实现的平移运动和旋转运动的类型和范围的概略图；
图2A和图2B分别是本发明的示例性操纵杆控制的推进操纵***的方框图以及该操纵杆控制的推进操纵***的示例性操纵杆控制的操纵***的概要图示；
图3A、图3B、图3C和图3D是推进和操纵***的控制***的方框图。
具体实施方式
参照图1A-图1J，其中呈现了能够通过本发明的操纵杆控制的推进和操纵***实现的平移船舶运动和旋转船舶运动的示例性类型和范围的概略图，其中图1A-图1J的每一个示出了操纵杆1的位置或运动以及船舶2的相应平移运动或旋转运动。如所示的，操纵杆1的运动包括：沿前、后、右和左方向的倾斜及其组合，诸如前到右或后到左的倾斜；以及绕操纵杆1的竖直轴线的旋转，该旋转能与操纵杆1的倾斜运动组合。如通过操纵杆1的运动控制的船舶2的相应运动包括：沿四个基本方向的平移运动，包括向前轴向运动(图1C)、后退轴向运动(图1H)、左转舵横向运动(图1A)、右转舵横向运动(图1J)；以及绕船舶2的竖直中心轴线3的旋转运动，包括向右旋转(图1E)和向左旋转(图1F)。应该认识到，如图1B、图1D、图1G和图1I中所示的操纵杆操纵能在有方位保持或无方位保持的情况下启用，并将在下文对方位保持特征进行更详细地描述。
参照图2A和图2B，其中分别显示了本发明的示例性操纵杆控制的推进操纵***10的详细方框图以及操纵***14的概括方框图，该操纵杆控制的推进操纵***10包括用于船舶2的常规推进和转向的推进和转向***12以及用于控制船舶2的平移操纵和旋转操纵的操纵***14。
如图2A和图2B中所示，推进操纵***10的致动器13B例如可包括发动机、助推器和舵，直接通过操纵处理器26的输出控制所述发动机、助推器和舵或者间接地通过一个或多个致动器控制单元13A控制所述发动机、助推器和舵。致动器13B和致动器控制单元13A又例如通过操纵处理器26的输出以及通过例如发动机控制器16C和16D以及推进处理器18A的输出进行控制。推进操纵***10的操纵处理器26的指令输入又由操纵杆1以及一个或多个控制站28A-28X来提供，所述操纵杆1在图2B中表示为操纵杆1A-1X，所述控制站28A-28X还从导航传感器46和推进单元传感器42S接收输入。推进操纵***10的单独的致动器13B的其它指令输入可通过来自转向控制杆或轮22B和/或一个或多个控制头20C以及如下文详细描述的通过来自操纵处理器26的指令输出来提供。
因此将从上文的讨论以及从下文的详细描述认识到，因为推进操纵***10的操纵处理器26向推进和转向***12的推进处理器18A和18B提供控制输入，所以可认为推进操纵***10并入了可能存在于船舶中的常规推进和转向***的控制和推进元件，诸如发动机控制器16C和16D以及推进处理器18A和18B并因而并入了发动机16A和16B以及舵22A，尽管舵不是绝对需要的。
因此接下来对在图2A中示出的示例性操纵杆控制的操纵杆控制推进操纵***10进行更详细地考虑，致动器13B将通常并且例如包括一个或多个单独的可控发动机16A和16B以及一个或多个舵22A。如图2B中所示，用于发动机16A和16B以及舵22A的控制输入可通常例如通过控制头20C的推进控制器20A和20B以及转向轮或转向控制杆22B来提供。发动机16A和16B以及舵22A每一个均可通过局部发动机控制器16C和16D直接控制，如图2B中所示，或通过相应的指令/控制单元13A间接控制，所述指令/控制单元13A的示例可包括推进处理器18A和18B以及转向控制处理器22C，也如图2B中所示。
在一典型且目前优选的实施例中，致动器13B将包括一个或多个助推器24，诸如船首助推器24A和船尾助推器24B，所述助推器通过操纵处理器26借助一个或多个在图2A中显示为操纵杆1A-1X的操纵杆1控制，并且助推器24可通过相应的指令/控制单元13A直接或间接控制。如上文简短地和在下文的讨论中详细描述的，可认为推进操纵***10例如并入了发动机控制器16C和16D以及推进处理器18A和18B并从而并入了发动机16A和16B及舵22A以及助推器24。因而推进操纵***10允许从多个控制站28A-28X中的任一个对船舶2的操纵进行控制，在目前的优选实施例中，所述控制站28A-28X可包括操纵杆控制站。
如上所述，推进操纵***10向发动机16A和舵22A或者发动机16A和16B以及舵22A生成控制输出，从而以传统方式控制船舶2的轴向运动，即向前运动和后退运动，以及船舶2的航向，此外如图2中所示以及上文所述，推进操纵***10向助推器24和推进处理器18A和18B并从而向发动机16和舵22A生成控制输出。推进操纵***10因此根据图1A-1J控制船舶2的平移运动和旋转运动以及船舶2的航向。
如在下文的讨论中将详细描述的，并且具体参照图3，推进操纵***10包括输入环30和致动器环32，该输入环30和致动器环32实施和包含在操纵处理器26中，并且该输入环30和致动器环32向助推器24和向推进处理器18A和18B生成控制输出，以按照领航员的通过操纵杆1的输入来控制船舶2的运动。
如在下文中详细描述的，输入环30从操纵杆1接收代表领航员预期的船舶运动的领航员输入并且生成代表领航员预期的船舶运动的幅度和方向的操纵指令。致动器环32又将来自输入环30的操纵指令转化成对助推器24、发动机16和舵22A的控制信号以控制这些元件产 生使船舶2遵循领航员的输入指令所必须的力。
换句话说，输入环30与船舶2的领航员交互并且在船舶运动控制空间中运行，该船舶运动控制空间与船舶2和例如助推器24、发动机16和舵22A的实际物理特性和参数以及功能特性及参数独立并分离，并且代替地，通过由如通过操纵杆1表示的领航员预期的船舶轴向运动、平移运动和旋转运动限定。致动器环32又与控制空间交互并且在该控制空间中运行，该控制空间由下述方面限定并且包括下述方面：助推器24、发动机16和舵22A的实际物理特性和参数以及功能特性和参数；以及船舶2的实际物理特性和参数，所述船舶2的实际物理特性和参数包括诸如船舶2的质量和尺寸以及风和水流的影响的因素。总之，因此输入环30将领航员的关于船舶操纵的预期转化成船舶位置和/或加速度和/或速度的抽象值，而致动器环32将用于预期船舶位置、加速度和速度的抽象表达值转化成对助推器24、发动机16和舵22A的用以实现预期结果所必须的相应指令。
在对具有输入环30和致动器环32的推进和转向***12以及操纵***14进行更详细地考虑之前，应首先注意的是操纵杆控制的推进和操纵***10的目前优选实施例可实施并包含一种或多种运行模式并且所包含的运行模式可根据情形和需求来选择。
例如，推进和转向***12以及操纵***14的可能运行模式可实施下文称为力指令模式和速率指定模式的两个基本指令模式中的任一个模式或两个模式都实施或两个模式都不实施，其中能够选择在现有情形中优选的基本指令模式或根据操作者偏好选择基本指令模式。在力指令模式中，领航员的操纵杆控制输入转化成控制船舶2的加速度的指令，而在速率指令模式中，领航员的操纵杆控制输入转化成控制船舶2的速度的指令。在操纵杆控制的推进和操纵***10的目前的优选实施例中，领航员可根据需要在这些指令模式之间进行选择并因此例如选择领航员感觉最舒适的方法或对于一组指定的情形领航员感觉 最适当的方法。
对可使用上述两种基本指令模式中的任一个或两个实施的推进和操纵***10的操纵杆控制的推进和操纵***10的运行方法的示例进行考虑，用于操纵杆控制的推进和操纵***10的第一运行方法可包括例如下述模式中的一个或多个：
(A)正常模式，在该模式中，领航员的操纵杆1输入控制船舶2的所有运动，包括船舶航向、船舶轴向速度或加速度以及船舶旋转和横向加速度或速度的方向。
(B)保持方位模式，在该模式中，船舶2的当前方位保持恒定，而操纵杆1输入控制船舶2的轴向和横向速度和加速度。
(C)保持位置模式，在该模式中，***以船舶致动器的最佳能力保持当前的船舶位置恒定，例如船舶2的轴向和横向加速度和速度保持恒定，使得船舶2保持在固定位置处，而操纵杆1输入控制船舶的方位。
(D)组合的保持方位和保持位置模式，在该模式中，船舶2的方位、旋转和位置均保持恒定。
用于操纵杆控制的推进和操纵***10的第二运行方法可包括例如下述模式中的一个或多个：
(A)基本推进模式，该模式包括默认的运行模式并且在该模式中，操纵杆的超过驱动模式设定点的向前和向后运动(倾斜)产生使船舶以缓慢的速度向前和向后的轴向运动，而操纵杆的旋转，即扭转产生用于使船舶绕其中心点转动或旋转的旋转运动指令。然而，操纵杆的侧向运动(倾斜)产生用于使***切换到操纵运行模式的指令，接下来在下文对该操纵运行模式进行描述。
(B)操纵模式，在该模式中，操纵杆的侧向(倾斜)运动产生用于船舶的横向运动的指令。必须注意的是如果引起和控制船舶的侧向运动的横向助推器不可用或如果操作者锁定操纵模式，则操纵运行模式将不可用或被锁定。还应当注意的是当船舶在操纵模式中操纵时， 操纵杆经过驱动模式设定点的向前或向后运动(倾斜)通常不导致***切换到驱动模式，接下来在下文对该驱动模式进行描述。然而，在特定实施例中，如果操纵杆的向前或向后(倾斜)运动超过驱动模式设定点或某一其它预期的设定点，则***可从操纵模式切换到驱动模式。
(C)当***处于基本推进运行模式时并且当操纵杆的向前或向后运动(倾斜)超过驱动模式阈值时，进入驱动模式，其中如果操纵杆的向前或向后运动(倾斜)落在驱动模式阈值之下，则***恢复到基本推进模式。当处于驱动模式时，船舶如由操纵杆的向前或向后运动(倾斜)所指引的向前或向后移动，并且如果舵转向可用，则操纵杆的侧向运动(倾斜)被解释为用以控制船舶的偏航的转向指令输入。如果当处于驱动模式时舵转向不可用，则操纵杆的侧向运动(倾斜)被解释为用以控制船舶的偏航的发动机指令。助推器并因而船舶的侧向运动在驱动模式中不可用。
必须注意的是推进和操纵***10可利用第一运行方法和第二运行方法的相应描述的运行模式的任意子集来实施，或利用从第一运行方法和第二运行方法中选择的运行模式的任意组合或子集来实施。例如，如果船舶未配设横向助推器或可控舵或者操纵模式可能在横向操纵将不合需要的特定运行状况下被锁定，则推进和操纵***10可仅利用第二运行方法的基本推进和驱动模式来实施。
包含上述运行方法中的任一个或两个的操纵杆控制的推进和操纵***10通常还将包括光学指示器，该光学指示器向操作者指示***10当前正在运行的模式，即***10运行在正常模式、保持方位模式、保持位置模式或组合保持方位和位置模式还是运行在基本推进模式、操纵模式或驱动模式。例如，***可包括运行模式指示器1M，该运行模式指示器1M例如包括红色发光二极管(LED)和绿色LED，并且在第二运行方法中，例如处于基本推进模式中的运行可通过绿色LED的连续照明来指示，而处于操纵模式中的运行通过绿色LED的闪烁来指 示。然后处于驱动模式中的运行可通过红色LED的连续照明来指示，而舵不居中的警告在驱动模式中通过红色LED的闪烁来指示。将认识的是可将类似的发光代码指示分配给第一运行方法中的各种运行模式，其中，运行模式包括正常模式、保持方位模式、保持位置模式或组合保持方位和位置模式。
将认识的是上文讨论的指令方法和运行模式可完全实施的程度将至少部分地取决于用以检测船舶位置、取向和运动的特定传感器的可用性和安装。例如，用于正常运行模式的传感器例如可包括方位传感器、速度和加速度传感器、风速传感器、惯性测量传感器等。保持位置运行模式可例如另外需要GPS(全球定位***)或其它合适的精确位置定位***。
此外应注意的是操纵杆控制的推进和操纵***10可进一步包括安全装置，用以防止例如船舶的非预期或不安全运动，诸如与其它船舶或周围结构的碰撞或卷入航海障碍，或者涉及例如水中人员、小船、海洋生物以及各种类型的均匀结构的事故。例如，操纵杆控制的推进和操纵***10可包括安全切断特征以在正常的运行模式期间，在释放操纵杆时，关闭助推器或发动机，此状况被解释为命令零推力，而不是零加速度或速度。当在保持模式中运行时，例如可用助推器和/或发动机切断开关来代替或替换空档操纵杆安全切断。
上文已将本发明的操纵杆控制的推进和操纵***10描述为包括输入环30和致动器环32，该输入环30与船舶2的领航员交互并且在船舶运动控制空间中运行，该船舶运动控制空间与船舶2的实际物理特性和运动独立并分离，该致动器环32与控制空间交互并且在该控制空间中运行，该控制空间由物理船舶2的特性和反应限定并且包括物理船舶2的特性和反应。
参照图3A、图3B和图3C，其中显示了本发明的操纵杆控制*** 的方框图、该控制***的输入环30的方框图以及该控制***的致动器环32的方框图，其中图3A和图3C示出了基本的操纵杆控制***，而图3B示出了可添加到图3A中所示元件的光学控制、测量和估计信号以及电路或功能。
首先参照图3A和图3B，并且如先前此处描述的，当用户通过一个操纵杆或多个操纵杆1提供指示船舶2在当前选择的运行模式中的预期操纵的指令输入时，用户的输入被解释处理器1′解释以向控制***产生输入。输入fref和xref是相对于当前船舶状态与预期船舶操纵相关并且用于当前运行模式的参考基值，并且可通常表示为预期的船舶操纵参数，诸如速度、加速度、力或位置。如图3A中指示的，将参考基值xref与反馈值xk相比较，以确定表示预期船舶操纵与实际船舶操纵之间的差异或误差的误差值xerr，该反馈值xk是对应于实际船舶状态x并且表示船舶当前的实际操纵的测得的或估计出的状态值，诸如速度和位置以及可能的加速度和/或力。
状态处理器48′处理xerr的值以生成表示当前运行模式下的预期操纵参数的操纵参数值fref′，并将此信息与预期操纵参数fref一起提供给最优处理器36A、36B，该最优处理器36A、36B确定对船舶推进器、舵和助推器适当的指令以使测得的实际船舶操纵参数与预期的船舶操纵参数相一致并且向致动器13B、致动器控制器13A和船舶推进***42生成相应的指令输出，其中如上文讨论的，致动器13B可包括助推器24、发动机16和舵22A。最优处理器36A、36B的输出和致动器传感器42S的输出yka，可例如包括轴每分钟转数传感器、角位置传感器和液压流体或油温度传感器、水流速和压力传感器等，以生成指示所命令的推进设备42运行状态与实际的推进设备42运行状态之间的差异的误差信号αerr，所述误差信号αerr又控制致动器13B、致动器控制器13A和船舶推进***42，使得所命令的推进设备42的输出和运行状态与实际的推进设备42的输出和运行状态相对应。
此外如所示的，将致动器传感器42S和导航传感器46的输出yka提供给状态估计器处理器48″，所述导航传感器46例如可包括GPS(全球定位***)单元、惯性导航单元、指南针、倾斜传感器、加速度计等并且测量和指示船舶2的导航参数或向量，诸如船舶取向和航向、船舶轴向速度和横向速度、船舶轴向加速度和横向加速度等。该状态估计器处理器48″又生成导航反馈参数xk，所述导航反馈参数xk由预期船舶参数fref产生并且表示船舶当前的实际操纵，又诸如速度、加速度、力或位置，如上所述。
接下来对输入环30进行更详细地考虑，并且参照图3C，输入环30有效地包括反馈控制环34，该反馈控制环34接收来自操纵杆1的控制输入34A并组合操纵杆控制输入34A，所述操纵杆控制输入34A表示领航员预期的速度或加速度向量。操纵杆控制输入34A与向量差计算器34C中的向量反馈34B结合以生成向量差输出34D，其中向量反馈34B表示船舶2的实际速度或加速度向量的测量，而向量差输出34D表示领航员命令的船舶2速度或加速度向量与当前实际的船舶2速度或加速度向量之间的当前差。
此处如上文描述的，本发明的操纵杆控制的推进和操纵***10可实施力指令模式和速度指令模式中的任一个或优选两个，在力指令模式中，该***控制通过助推器24、发动机16和舵22A施加在船舶2上的加速度向量，而在速度指令模式中，该***控制施加在船舶2上的速度向量。为此，输入环30的目前优选实施例包括力指令处理器36A和速率指令处理器36B，该力指令处理器36A和速率指令处理器36B分别根据向量差输出36B确定操纵指令36C和36D，所述操纵指令36C和36D分别表示实现领航员预期的速度或加速度所必须的船舶2加速度或速度向量的变化。
如图3C中所示，力指令模式与力指令模式之间的选择通过第一方法选择开关38A和第二方法选择开关38B来实现，其中第一方法选择 开关38A将向量差输出36B选择性地连接到力指令处理器36A和速率指令处理器36B中的一个。第二方法选择开关38B又将来自力指令处理器36A和速率指令处理器36B的操纵指令36C或36D连接到致动器环32的输入。
对操纵杆控制的推进和操纵***10的目前优选实施例中的力指令处理器36A和速率指令处理器36B进行简要地考虑，速率指令处理器36B可实施为最优控制***，而力指令处理器36A可实施为凸优化***，其原理和实施为本领域中的普通技术人员众所周知并且在本领域中进行了很好地描述。这些主题的示例性描述可例如在R.F.Stengel的Optimal Control and Estimation，Courier Dover Publication，1994以及S.P.Boyd和L.Vandenberhe的Convex Optimization，Cambridge University Press，2004中找到，并且相关讨论可例如在T.I.Fossen，Wiley的Guidance and Control of Oceam Vehicles，1994以及T.I.Fossen，S.I.Sagatun和A.J.Sorenson的Identification of Dynamically Positioned Ships，Control Engineering Practice，4(3)：369-376，1996中找到，所有这些均通过参引合并于此。
继续输入环30的描述，如所示的，致动器环32接收来自力指令处理器36A和速率指令传感器36B的操纵指令36C或36D并且向船舶推进***42生成对应的推进指令40，以实现领航员预期的船舶加速度或速率向量，如上文讨论的，该船舶推进***42可包括助推器24、发动机16和舵22A。致动器环32还分别向力指令处理器36A和速率指令处理器36B生成适当的反馈控制信号40A和40B，用于在分别计算操纵指令36C或36D中被力指令处理器36A和速率指令处理器36B使用。将注意的是反馈控制信号40A和40B分别通过观察器矩阵44A和44B提供给力指令处理器36A和速率指令处理器36B，所述观察器矩阵44A和44B将反馈控制信号44A和44B以及贮存在其中的信息调节成适于被力指令处理器36A和速率指令处理器36B使用的形式，包括从不需要的数据或信息中提取的数据或信息。在此方面，将理解的是 通过观察器矩阵44A和44B执行的信号调节将取决于致动器环32以及力指令处理器36A和速率指令处理器36B的具体实现并且范围可从简单的低通滤波器或高通滤波器以除去对数据处理方法而言不需要的信号成分以预先调节用于力指令处理器36A和速率指令处理器36B的数据的数值形式。
另外，推进单元42包括各种推进单元传感器42S，诸如轴每分钟转数传感器、角位置传感器和液压流体或油温度、水流速、水压等，所述推进单元传感器42S检测包括推进单元42的元件的状态运行或性能并且生成反映推进单元42的性能以及在船舶2上操作的合成力和向量的推进输出信号42P。此外如所示的，输入环32进一步包括多个导航传感器46，诸如GPS(全球定位***)单元、惯性导航单元、指南针、倾斜传感器、风和水流传感器等，所述导航传感器46生成指示船舶2的导航参数或向量，诸如船舶取向和航向、船舶轴向速度和横向速度、船舶轴向加速度和横向加速度等的导航输出信号46N，以描述船舶2的位置和运动。
如图3B中所示，将推进输出信号42P和导航输出信号46N作为输入提供给状态估计和传感器融合单元48，该状态估计和传感器融合单元48将包含在推进输出信号42P和导航输出信号46N中或通过推进输出信号42P和导航输出信号46N表示的信息处理成适合被力指令处理器36A和速率指令传感器36B使用的形式。简言之，状态估计是推进输出信号42P和导航输出信号46N的处理以减少或消除来自推进输出信号42P和导航输出信号46N的不合需要的数据或信号成分，诸如噪音和不需要的频率成分，并且提取有用的信息和数据以发送给力指令处理器36A和速率指令处理器36B。如本领域中众所周知的，取决于信号的性质和信息或数据内容、不需要成分的性质以及诸如力指令处理器36A和速率指令处理器36B的信号接受器的需求，状态估计可采用许多形式。
继而，传感器融合确认来自各种传感器的数据可或大或小程度地叠加，并且“融合”或合并此叠加数据以提高由此产生的输出数据的质量。此数据融合可例如采用平均叠加数据、选择最精确或最可能精确的数据或者消除最可疑类型的数据等形式。
如图3B中所示，将来自状态估计和传感器融合单元48的融合的数据输出信号48S作为反馈输入提供给力指令处理器36A和速率指令处理器36B，用于在计算操纵指令36C或36D中使用，并且作为向量反馈34B提供给向量差计算器34C，用于在生成向量差输出34D中使用。将注意的是融合的数据输出48通过观察器矩阵44C、44D和44E提供给力指令处理器36A、速率指令处理器36B和向量差计算器34C，如上所述，所述观察器矩阵44C、44D和44E将融合数据输出48和贮存在其中的信息调节、过滤或以其它方式处理成适合被力指令处理器36A、速率指令处理器36B和向量差计算器34C使用的形式。
接下来参照图3C和致动器环32，如上所述，致动器环32在控制空间中运行，该控制空间由下述方面限定并且包括下述方面：船舶2、助推器24、发动机16和舵22A；实际助推器24、发动机16和舵22A的物理特性和性能；以及物理船舶2的实际物理运动和反映，包括诸如船舶2的质量和尺寸以及风和水流的影响等因素。输入环30从而包括如由领航员通过操纵杆1表达为抽象加速度和速度向量值的领航员的期望与船舶2、助推器24、发动机16和舵22A的实际物理特性以及船舶、助推器、发动机和舵的实际物理现实和特性之间的交互和转化。换句话说，并且更简短地，致动器环32将来自力指令处理器36A和速率指令处理器36B的操纵指令36C或36D转化成对船舶推进单元42的船舶推进指令40并且控制船舶推进单元42以便实现领航员预期的船舶2的加速度或速率向量。
如图3C中所示，致动器环32是结构上大体与输入环30类似的反馈环处理器。致动器环32中的主要计算处理，即，将操纵指令36C或 36D转化成船舶推进指令40并且控制船舶推进单元42所必须的操作通过内控制处理器50来执行，该内控制处理器50接收来自力指令处理器36A和速率指令处理器36B的操纵指令36C或36D并且根据存储在其中的船舶2和推进单元42的动态模型生成相应的船舶控制指令50C。如所示的，内控制处理器50的目前优选实施例包括有限状态机50F，该有限状态机与比例积分微分控制计算器50P相联接并相互作用。在此方面，将认识的是内控制处理器50、有限状态机50F和比例积分微分控制计算器50P的具体设计和操作对操纵杆控制的推进和操纵***10的实施例和实现将通常是特定的，但在相关领域中通常是众所周知的而不需要进行更详细地描述。
此外，致动器环32将包括根据由领航员当前采用的具体方法和运行模式，诸如加速度或速率控制方法以及正常运行模式、保持方位运行模式、组合保持方位和保持位置运行模式以及学习运行模式来修改船舶控制指令50C所需的指令逻辑。此功能可在智能指令处理器52中实施，如图3C中所示，该智能指令处理器52将接收来自内控制处理器50的船舶控制指令50C并且生成相应修改的船舶控制指令52C。应当注意的是智能指令处理器52也可在学习运行模式中采用以根据领航员操纵杆1的控制输入和所测得的船舶2的响应来生成船舶2和推进单元42的动态模型并且将船舶2和推进单元42的动态模型存储在内控制处理器50中。
如所示的，将来自智能指令处理器52的船舶控制指令52C提供给修正处理器54，该修正处理器54还接收“噪音”输入54I，所述“噪音”输入54I例如包括某些推进输出信号42P和导航输出信号46N。噪音输入54I是表示“噪音”干扰的选定信号，诸如由于风和浪而作用在船舶2上的环境力。修正处理器54修正此噪音干扰的船舶控制指令52C，并生成和提供如上所述的最终船舶推进指令40。
此外如所示的，致动器环32包括与推进单元传感器42S中的至少 一些的连接或与推进输出信号42P的等效连接以接收影响船舶推进指令40的生成的推进单元42元件的运行状态或性能因素的指示，诸如每分钟转数和液压流体、冷却流体或油温度的输出。如所示的，将推进输出信号42P中选定的一个提供给致动器环状态估计和传感器融合单元48I，如上文讨论的，该致动器环状态估计和传感器融合单元48I将包含在选定的推进输出信号42P中或通过选定的推进输出信号42P表示的信息处理成适合被致动器环32使用的形式。将产生的信号输出提供给图示的反馈连接以与操纵指令36C和36D结合而作为向内控制处理器50的输入以及作为向力指令处理器36A和速率指令处理器36B的输入的反馈信号40A和40B。
最后，如图2A中所示，在操纵杆控制的推进和操纵***10的目前优选实施例中，每个发动机16配设有用于低速运行的可滑移离合器56。在此方面，必须注意的是在传统的船用发动机和离合器***中，并且即使发动机处于空转，如果输出推进器轴通过离合器锁定到发动机输出轴，则船舶一般也将以四到五节的通常最小速度范围被驱动。然而，通过允许离合器在某一最小与最大量之间的范围中滑移从而许可将船舶的最小低速范围可控地减小到能够通过传统离合器***实现的速度范围之下，提供由操纵杆控制的推进和操纵***10控制的可滑移离合器56将避免此问题。
根据本发明，将发动机16空转运行并且通过使离合器56滑移来控制推进器推力输出的离合器运行模式称为“回旋模式”，而将离合器锁定或关闭以使发动机输出轴与推进器轴接合的运行模式称为“锁定模式”。另外在此方面，必须注意的是，当在回旋模式中并且在小于100％的最大滑移之上的滑移水平下运行时，输出轴将不旋转并将动力传输到推进器，并且通常需要小的“冲击”或暂时减小滑移来起动推进器轴的旋转。当在小于最小滑移的滑移水平下运行时，离合器将锁定并且通常将发现在能够在回旋模式与锁定模式之间实现的速度范围中具有间隙。然而此间隙中的船舶速度可通过在“最大回旋”或“发动 机随动”模式中运行来实现，其中将离合器控制到大于锁定的最小滑移并且发动机以大于空转的速度运行。在操纵杆控制的推进和操纵***10的目前优选实施例中，“回旋”、“锁定”和“最大回旋”或“发动机随动”模式例如可在上文讨论的智能指令处理器52中或通过智能指令处理器52实现。
总之，尽管已参照设备及其方法的优选实施例对本发明进行了具体显示和描述，但是本领域中的普通技术人员还将理解的是在不偏离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可在形式、细节和实现上对本发明做出各种变化、变形和修改。

Claims (12)

1.一种用于船舶的船用推进和转向***，包括：
船舶推进***，该船舶推进***包括：
推进***，该推进***用于生成推力向量并且控制船舶的旋转运动和平移运动；以及
操纵***，该操纵***包括：
至少一个操纵杆，所述至少一个操纵杆用于生成推进和操纵控制输入，所述推进和操纵控制输入表示领航员期望的船舶运动，以及
操纵控制器，该操纵控制器包括：
输入环(30)和致动器环(32)，所述输入环和致动器环响应于所述推进和操纵控制输入以用于向所述推进***生成对应的控制输出，用于按照所述推进和操纵控制输入来控制所述船舶的轴向运动、平移运动和旋转运动，
其中，所述输入环包括指令处理器(36A、36B)，所述指令处理器响应于所述推进和操纵控制输入以生成操纵指令(36C、36D)，所述操纵指令表示领航员期望的船舶运动的幅度和方向，并且
所述致动器环响应于来自所述输入环的操纵指令以向所述船舶推进***的至少一个致动器生成对应的船舶控制指令，从而产生推进和操纵力，以使所述船舶按照所述推进和操纵控制输入而移动；并且
所述致动器环包括：
内处理器(50)，所述内处理器包括有限状态机，所述有限状态机与比例积分微分控制计算器相互作用，用于接收所述操纵指令(36C、36D)并且生成对应的船舶推进指令，
指令逻辑单元(52)，所述指令逻辑单元与所述内处理器连接，用于根据所述操纵***的当前运行模式来修改所述船舶推进指令，从而为所述至少一个致动器生成所述推进指令，
至少一个导航传感器(46)，所述导航传感器测量在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的干扰力，并且生成导航输出信号，所述导航输出信号表示测量到的在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的干扰力，
修正处理器(54)，所述修正处理器与所述指令逻辑单元连接以接收修改的推进指令，并且输入表示在所述船舶外部且作用在所述船舶上的所述干扰力的至少一个导航输出信号，并且修正所述推进指令以与在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的所述干扰力相互作用并消除所述干扰力的效果，以及
致动器环状态估计和传感器融合单元(48I)，所述致动器环状态估计和传感器融合单元与至少一个推进传感器连接以提取表示所述推进***的至少一个运行状态的推进***信息，并且所述致动器环状态估计和传感器融合单元向所述致动器环(32)的内处理器(50)提供反馈信号(40A、40B)以与所述操纵指令(36C、36D)结合并且向所述输入环(30)的指令处理器(36A、36B)提供所述反馈信号。
2.根据权利要求1所述的用于船舶的船用推进和转向***，其中，所述输入环包括：
向量差计算器，该向量差计算器接收所述推进和操纵控制输入以及向量反馈，并生成指令处理器的向量差输出，所述指令处理器接收所述向量差输出并生成操纵指令，所述操纵指令选择性地表示按照所述推进和操纵控制输入控制船舶的运动所必需的船舶加速度向量的变化和船舶速度向量的变化中的一个，
推进单元传感器，该推进单元传感器用于生成推进传感器输出，该推进传感器输出表示至少一个致动器的运行状态。
3.根据权利要求1所述的用于船舶的船用推进和转向***，其中，所述操纵***的运行模式包括下面中的至少一个：
正常模式，在所述正常模式中，所述推进和操纵控制输入控制船舶的所有运动，包括船舶航向、船舶轴向速度或加速度、以及船舶旋转和横向加速度或速度的方向，
保持方位模式，在所述保持方位模式中，在所述推进和操纵控制输入控制船舶的轴向的速度和加速度以及横向的速度和加速度的同时，所述船舶的当前方位保持恒定，
保持位置模式，在所述保持位置模式中，所述船舶的轴向的加速度和速度以及横向的加速度和速度保持恒定，使得在所述推进和操纵控制输入控制船舶方位的同时、所述船舶保持在固定位置处，以及
组合的保持方位和保持位置模式，在所述组合的保持方位和保持位置模式中，船舶方位、旋转和位置保持恒定。
4.根据权利要求1所述的用于船舶的船用推进和转向***，其中：
所述推进***包括至少一个发动机，
所述至少一个发动机包括可滑移的离合器，所述可滑移的离合器由所述操纵***控制，并且连接在所述至少一个发动机的输出轴与至少一个推进器轴之间，
并且，所述操纵***的运行模式进一步包括：
锁定模式，在该锁定模式中，所述离合器接合，以将发动机输出轴联接到所述至少一个推进器轴，
回旋模式，在该回旋模式中，所述发动机在空转状态下运行，并且所述离合器滑移地接合在所述发动机输出轴与所述至少一个推进器轴之间，以及
发动机随动模式，在该发动机随动模式中，所述离合器被控制到稍稍在锁定之上的最小滑移，并且所述发动机以大于空转的速度运行。
5.根据权利要求1所述的用于船舶的船用推进和转向***，进一步包括：
轴向推进***，所述轴向推进***包括至少一个发动机，所述至少一个发动机响应于所述致动器环以用于控制船舶的轴向运动。
6.根据权利要求1所述的用于船舶的船用推进和转向***，进一步包括：
所述推进***包括至少一个致动器，所述至少一个致动器用于生成至少一个推力向量，用于控制船舶运动的幅度和方向，并且其中，所述至少一个致动器包括发动机和至少一个舵和至少一个助推器和至少一个可转向的助推器和至少一个第二发动机中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的用于船舶的船用推进和转向***，其中：
所述操纵控制器响应于所述推进和操纵控制输入以用于按照所述推进和操纵控制输入同时控制船舶的轴向运动、平移运动和旋转运动。
8.一种用于控制船舶推进***的方法，所述船舶推进***包括：至少一个操纵杆，所述至少一个操纵杆用于向所述船舶推进***提供对应的运动控制指令；推进***，该推进***用于生成推力向量，用于控制船舶的旋转运动和平移运动；操纵控制器，该操纵控制器包括输入环和致动器环，所述输入环和致动器环响应于推进和操纵控制输入以用于向所述推进***生成对应的控制输出，以按照所述推进和操纵控制输入来控制所述船舶的轴向运动、平移运动和旋转运动，所述输入环包括指令处理器(36A、36B)，所述指令处理器响应于所述推进和操纵控制输入以生成操纵指令(36C、36D)，所述操纵指令表示领航员期望的船舶运动的幅度和方向，所述致动器环响应于来自所述输入环的操纵指令以向所述船舶推进***的至少一个致动器生成对应的船舶控制指令，从而产生推进和操纵力，以使所述船舶按照所述推进和操纵控制输入而移动；并且所述致动器环包括内处理器(50)、指令逻辑单元(52)、至少一个导航传感器(46)、修正处理器(54)以及致动器环状态估计和传感器融合单元(48I)，所述内处理器包括有限状态机，所述有限状态机与比例积分微分控制计算器相互作用，用于接收所述操纵指令并且生成对应的船舶推进指令，所述指令逻辑单元与所述内处理器连接，以根据所述操纵***的当前运行模式来修改所述船舶推进指令，从而向所述至少一个致动器生成所述推进指令，所述导航传感器测量在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的干扰力，并且生成导航输出信号，所述导航输出信号表示测量到的在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的干扰力，所述修正处理器与所述指令逻辑单元连接以接收修改的推进指令并且输入表示在所述船舶外部且作用在所述船舶上的所述干扰力的至少一个输入导航输出信号，并且修正所述推进指令以与在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的所述干扰力相互作用并消除所述干扰力的效果，并且所述致动器环状态估计和传感器融合单元与至少一个推进传感器连接以提取表示所述推进***的至少一个运行状态的推进***信息，并且所述致动器环状态估计和传感器融合单元向所述致动器环(32)的内处理器(50)提供反馈信号(40A、40B)以与所述操纵指令(36C、36D)结合并且向所述输入环(30)的指令处理器(36A、36B)提供所述反馈信号；
所述方法包括如下步骤：
从正常运行模式、保持方位运行模式、保持位置运行模式、以及组合的保持方位和保持位置运行模式的至少一个中，选择一种运行模式，以及
当处于所述正常运行模式中时，
通过对应的操纵杆控制输入来控制所述船舶的所有的航向、轴向运动、旋转运动和横向运动，
当处于所述保持方位运行模式中时，
保持所述船舶的当前方位恒定，并且通过对应的操纵杆输入来控制所述船舶的轴向运动和横向运动，
当处于所述保持位置运行模式中时，
保持所述船舶的当前位置恒定，并且通过对应的操纵杆输入来控制船舶方位，以及
当处于所述组合的保持方位和保持位置运行模式中时，
保持当前的船舶方位和位置恒定。
9.根据权利要求8所述的用于控制船舶推进***的方法，进一步包括以下步骤，即：为所述船舶推进***提供至少一个致动器，所述至少一个致动器用于生成至少一个推力向量，用于控制船舶运动的幅度和方向，并且
使所述至少一个致动器包括如下中的至少一个：
至少一个第一发动机，
至少一个舵，
至少一个助推器，
至少一个可转向的助推器，以及
至少一个第二发动机。
10.一种用于控制船舶推进***的方法，其中，所述船舶推进***的输入装置包括：至少一个操纵杆，所述至少一个操纵杆用于向所述船舶推进***提供对应的运动控制指令；操纵控制器，该操纵控制器包括输入环和致动器环，所述输入环和致动器环响应于推进和操纵控制输入以用于向所述推进***生成对应的控制输出，以按照所述推进和操纵控制输入来控制所述船舶的轴向运动、平移运动和旋转运动，所述输入环包括指令处理器(36A、36B)，所述指令处理器响应于所述推进和操纵控制输入以生成操纵指令(36C、36D)，所述操纵指令表示领航员期望的船舶运动的幅度和方向，所述致动器环响应于来自所述输入环的操纵指令以向所述船舶推进***的至少一个致动器生成对应的船舶控制指令，从而产生推进和操纵力，以使所述船舶按照所述推进和操纵控制输入而移动；并且所述致动器环包括内处理器、指令逻辑单元、至少一个导航传感器、修正处理器以及致动器环状态估计和传感器融合单元，所述内处理器包括有限状态机，所述有限状态机与比例积分微分控制计算器相互作用，用于接收所述操纵指令并且生成对应的船舶推进指令，所述指令逻辑单元与所述内处理器连接，以根据所述操纵***的当前运行模式来修改所述船舶推进指令，从而向所述至少一个致动器生成所述推进指令，所述导航传感器测量在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的干扰力，并且生成导航输出信号，所述导航输出信号表示测量到的在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的干扰力，所述修正处理器与所述指令逻辑单元连接以接收修改的推进指令并且输入表示在所述船舶外部且作用在所述船舶上的所述干扰力的至少一个输入导航输出信号，并且修正所述推进指令以与在所述船舶外部并且作用在所述船舶上的所述干扰力相互作用并消除所述干扰力的效果，并且所述致动器环状态估计和传感器融合单元与至少一个推进传感器连接以提取表示所述推进***的至少一个运行状态的推进***信息，并且所述致动器环状态估计和传感器融合单元向所述致动器环(32)的内处理器(50)提供反馈信号(40A、40B)以与所述操纵指令(36C、36D)结合并且向所述输入环(30)的指令处理器(36A、36B)提供所述反馈信号；并且所述至少一个致动器包括至少一个发动机、至少一个舵、至少一个助推器和至少一个可转向的助推器中的至少一个，
所述方法包括下述步骤：
当处于基本推进运行模式中时，
根据所述操纵杆的对应运动生成船舶轴向运动指令，
根据所述操纵杆的对应旋转运动生成船舶旋转指令，
根据所述操纵杆的横向运动进入操纵运行模式，以及
当生成轴向运动指令的操纵杆的运动超过驱动模式设定点时进入驱动运行模式，
当处于所述操纵运行模式中时，
根据所述操纵杆的对应横向运动生成船舶横向运动指令，
在所述操纵杆的对应运动超过驱动模式设定点时，生成船舶轴向运动指令，以及
当处于所述驱动运行模式中时，
根据所述操纵杆的对应运动从所述操纵杆生成船舶轴向运动指令，以及
根据所述操纵杆的对应横向运动，从所述操纵杆生成舵转向指令以及第一发动机转向指令和第二发动机转向指令中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的用于控制船舶推进***的方法，进一步包括以下步骤，即：为所述推进***提供至少一个致动器，所述至少一个致动器用于生成至少一个推力向量，用于控制船舶运动的幅度和方向，并且所述至少一个致动器包括至少一个发动机以及如下中的至少一个：
至少一个舵，
至少一个助推器，
至少一个可转向的助推器，以及
至少一个第二发动机。
12.根据权利要求10所述的用于控制船舶推进***的方法，进一步包括下述步骤：
使所述操纵控制器响应于所述推进和操纵控制输入以用于按照所述推进和操纵控制输入同时控制船舶的轴向运动、平移运动和旋转运动。
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