一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置

本发明涉及无人船风帆执行机构，具体涉及一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置。

背景技术：

1、无人帆船利用自然风能进行推进，能够适用于海洋观测、巡航和长期自主航行；在无人帆船航行过程中，风帆转帆角是无人帆船的重要控制量，会直接影响帆面受力、推进效率和航向保持能力。

2、现有风帆转帆机构大多是采用步进电机进行角度控制，通过脉冲信号控制位置，但其通常按照发送脉冲数推算转角，若缺少实际角度反馈，在海上阵风、浪涌、船体摇摆或风帆风载突变作用下，容易出现失步、堵转或帆角漂移；此时对应的控制装置如果仍按照理论脉冲角度判断风帆位置，会造成转帆角误差累积，影响无人帆船自主航行稳定性；此外，风帆在海上受风载作用明显，转帆机构需要输出较大扭矩，并在目标角度处抵抗风载反拖，单纯依靠电机保持力矩会增加功耗和发热，也不利于长期无人值守运行。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，结构设计合理，在主控板的集成控制作用下，配合多类型的功能组件，能够准确反馈出实际转帆角，避免出现失步、堵转或帆角漂移现象，使风帆转帆机构由开环脉冲控制转为闭环角度控制，减少步进电机因失步而造成的帆角误差累积，利用蜗轮蜗杆实现减速增扭和自锁保持，有效抵抗海上风载扰动和风帆反拖，降低帆角漂移，同时根据目标转帆角与实际转帆角的偏差进行补偿控制，提高无人帆船自主航行过程中的风帆角度控制可靠性，解决了现有技术中存在的问题。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

3、一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，所述控制装置包括：

4、风帆组件、步进电机、步进电机驱动器、蜗轮蜗杆传动装置、霍尔角度传感器和主控板；

5、所述风帆组件包括风帆和用于带动风帆转动的风帆转轴；所述步进电机通过蜗轮蜗杆传动装置与风帆转轴传动连接，以使步进电机带动风帆转动；

6、所述霍尔角度传感器设置在风帆转轴或与风帆转轴同步转动的检测轴上，所述霍尔角度传感器用于采集风帆的实际转帆角，在海上风载扰动、步进电机失步或帆角漂移时反馈实际角度，以使主控板据此进行补偿控制；

7、所述蜗轮蜗杆传动装置用于实现减速增扭；

8、所述主控板与霍尔角度传感器和步进电机驱动器分别对接电气相连，用于接收目标转帆角和实际转帆角，并根据目标转帆角和实际转帆角的角度偏差来控制步进电机驱动器驱动步进电机运行，使风帆转轴转动到目标转帆角。

9、所述蜗轮蜗杆传动装置包括与步进电机输出轴相连接的蜗杆和与风帆转轴相连接的蜗轮，所述蜗杆与蜗轮啮合传动；

10、所述蜗轮蜗杆传动装置具有自锁结构，用于在步进电机停止驱动或保持状态下抑制风载反拖风帆转轴。

11、所述霍尔角度传感器为非接触式磁角度传感器，包括与风帆转轴同步转动的磁体和与磁体相对设置的霍尔检测芯片。

12、所述主控板包括角度采集电路、电机驱动接口、通信接口、电源模块和电源转换电路，所述角度采集电路与霍尔角度传感器连接，所述电机驱动接口与步进电机驱动器电气连接，所述通信接口用于接收无人帆船航行控制系统输出的目标转帆角；所述电源转换电路用于为主控板提供稳定的供电电压。

13、所述通信接口至少包括rs485接口、can接口、usb接口或串口调试接口。

14、所述主控板被配置为在实际转帆角与目标转帆角之间的角度偏差超过允许误差时，确定步进电机的转动方向、脉冲数和转速，并在实际转帆角进入允许误差范围后停止驱动或进入保持状态。

15、所述主控板被配置为在实际转帆角变化量与步进电机理论步距不一致、角度偏差持续存在或风帆受海上风载扰动发生偏移时，向步进电机驱动器输出补偿控制信号。

16、所述主控板存储有零位标定参数和角度限位参数，用于将霍尔角度传感器采集的角度值转换为相对于船体的转帆角，并限制风帆的最大转动范围。

17、所述风帆转轴、蜗轮蜗杆传动装置、步进电机和霍尔角度传感器设置于无人帆船甲板或帆杆底部的防水安装腔内。

18、本发明采用上述结构，通过霍尔角度传感器反馈实际转帆角，使风帆转帆机构由开环脉冲控制转为闭环角度控制，能够减少步进电机失步造成的帆角误差累积；通过蜗轮蜗杆传动装置实现减速增扭和自锁保持，有利于抵抗海上风载扰动和风帆反拖，降低帆角漂移；通过主控板根据目标转帆角与实际转帆角的偏差进行补偿控制，提高无人帆船自主航行过程中的风帆角度控制可靠性，提高无人帆船在海上自主航行过程中的风帆转帆角控制精度和抗扰保持能力，具有安全可靠、简便实用的优点。

1.一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：

2.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述蜗轮蜗杆传动装置包括与步进电机输出轴相连接的蜗杆和与风帆转轴相连接的蜗轮，所述蜗杆与蜗轮啮合传动；

3.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述霍尔角度传感器为非接触式磁角度传感器，包括与风帆转轴同步转动的磁体和与磁体相对设置的霍尔检测芯片。

4.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述主控板包括角度采集电路、电机驱动接口、通信接口、电源模块和电源转换电路，所述角度采集电路与霍尔角度传感器连接，所述电机驱动接口与步进电机驱动器电气连接，所述通信接口用于接收无人帆船航行控制系统输出的目标转帆角；所述电源转换电路用于为主控板提供稳定的供电电压。

5.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述通信接口至少包括rs485接口、can接口、usb接口或串口调试接口。

6.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述主控板被配置为在实际转帆角与目标转帆角之间的角度偏差超过允许误差时，确定步进电机的转动方向、脉冲数和转速，并在实际转帆角进入允许误差范围后停止驱动或进入保持状态。

7.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述主控板被配置为在实际转帆角变化量与步进电机理论步距不一致、角度偏差持续存在或风帆受海上风载扰动发生偏移时，向步进电机驱动器输出补偿控制信号。

8.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述主控板存储有零位标定参数和角度限位参数，用于将霍尔角度传感器采集的角度值转换为相对于船体的转帆角，并限制风帆的最大转动范围。

9.根据权利要求1所述的一种无人帆船风帆闭环转帆控制装置，其特征在于：所述风帆转轴、蜗轮蜗杆传动装置、步进电机和霍尔角度传感器设置于无人帆船甲板或帆杆底部的防水安装腔内。