阅读说明：本技术 用于船舶快速滑行的超调方法 (Overshoot method for fast planing of ship ) 是由 J.D.多雷穆斯 T.费耶 于 2020-02-07 设计创作，主要内容包括：一种对由可操作地连接至可旋转推进器系统的电力推进系统推进的船舶进行滑行的方法,该方法包括接收请求增加油门的命令输入。该方法还包括确定船舶是否在滑行,以及当船舶不在滑行时在电推进系统中是否有足够的功率和能量来达到滑行速度。该方法还包括在选定的时间段内增加从电推进系统输出的功率,使得电推进系统在选定的时间量内超调电推进系统的一个或多个组件的连续功率限制。电推进系统的一个或多个组件包括电动马达、能量存储装置和电控制器中的至少一个。(A method of planing a vessel propelled by an electric propulsion system operatively connected to a rotatable propeller system includes receiving a command input requesting an increase in throttle. The method also includes determining whether the vessel is coasting and whether there is sufficient power and energy in the electric propulsion system to achieve the coasting speed when the vessel is not coasting. The method also includes increasing power output from the electric propulsion system for a selected time period such that the electric propulsion system overshoots a continuous power limit of one or more components of the electric propulsion system for a selected amount of time. The one or more components of the electric propulsion system include at least one of an electric motor, an energy storage device, and an electric controller.)

用于船舶快速滑行的超调方法

技术领域

本公开涉及船舶，并且更具体地涉及用于推进船舶的方法和系统。

背景技术

典型的船舶需要大量功率来克服阻力并加速到滑行位置。将船舶加速到滑行位置所需的功率通常决定了船舶推进系统的尺寸。

发明内容

在一个示例性实施例中，提供了一种对由可操作地连接至可旋转推进器系统的电推进系统推进的船舶进行滑行的方法。该方法包括接收请求增加油门的命令输入。该方法还包括确定船舶是否在滑行。该方法还包括当船舶不在滑行时，确定在电推进系统中是否有足够的功率和能量来达到滑行速度。该方法还包括在选定的时间段内增加从电推进系统输出的功率，使得允许电推进系统在选定的时间量内超调用于电推进系统的一个或多个组件的连续功率限制。电推进系统的一个或多个组件包括电动马达、能量存储装置和电控制器中的至少一个。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括响应于油门位置、水速、甲板角、吃水深度、纵倾角、估计的阻力分布和估计的负载质量，确定是否船舶在滑行。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或作为替代方案，其他实施例可以包括响应于电流历史表格算法、可用功率估算、电流限制要求、达到滑行速度所需的能量以及达到滑行速度所需的功率，确定电推进系统中是否存在足够的功率和能量而达到滑行速度。

除了在此所述的一个或多个特征之外，或作为替代方案，其他实施例可包括响应于目标加速度分布、水速度、全球定位系统速度、吃水深度、估计的阻力分布和估计的负载质量而确定在选定的时间段内增加的功率输出量。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或作为替代方案，其他实施例可以包括在选定的时间段完成时，从电力系统输出的功率减小，使得电推进系统的一个或多个组件不再超调连续功率限制。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括对电动马达的功率进行调节以在滑行巡航。该方法还可以包括当确定船舶在滑行时，设定用于有效的滑行角的纵倾(trim)。

在另一个示例性实施例中，提供了一种控制器，该控制器用于对由可操作地连接至可旋转推进器系统的电推进系统所推进的船舶进行滑行。该控制器包括处理器和包含计算机可执行指令的存储器，该计算机可执行指令在由处理器执行时使处理器执行操作。包括接收请求增加油门的命令输入的操作。该操作还包括确定船舶是否在滑行。这些操作还包括确定当船舶不在滑行时，电推进系统中是否有足够的功率和能量来达到滑行速度。所述操作还包括在选定的时间段内增加从电推进系统输出的功率，以使得允许电推进系统在选定的时间量内超调电推进系统的一个或多个组件的连续功率限制。电推进系统的一个或多个组件包括电动马达、能量存储装置和电控制器中的至少一个。

除了在此所述的一个或多个特征之外，或作为替代方案，其他实施例可包括响应于油门位置、水速、甲板角、吃水深度、纵倾角、估计的阻力分布和估计的负载质量。

除了在此所述的一个或多个特征之外，或作为替代方案，其他实施例可包括响应于电流历史表格算法、可用功率估算、电流限制要求、达到滑行速度所需的能量以及达到滑行速度所需的功率，确定电推进系统中是否存在足够的功率和能量达到滑行速度。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括，所述操作还包括响应于目标加速度分布、水速、全球定位系统速度、吃水深度、估计的阻力分布和估计的负载质量，确定在选定的时间段内增加的功率输出量。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括，该操作还包括在所选择的时间段完成时，降低从电力系统输出的电力，使得电力推进系统的一个或多个组件不再超调连续功率限制。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括，该操作还包括当确定船舶在滑行时，对电动马达的功率进行调节以进行滑行巡航，并且纵倾被设定以进行有效的滑行角。

在另一个示例性实施例中，提供了一种在非暂时性计算机可读介质上实施的计算机程序产品。所述计算机程序产品包括指令，当所述指令由处理器执行时，所述指令使所述处理器执行用于对由可操作地连接至可旋转推进器系统的电推进系统所推进的船舶进行滑行的操作。所述操作包括接收请求增加油门的命令输入。该操作还包括确定船舶是否在滑行。这些操作还包括确定当船舶不在滑行时，电推进系统中是否有足够的功率和能量来达到滑行速度。所述操作还包括在选定的时间段内增加从电推进系统输出的功率，以使得电推进系统在选定的时间量内超调电推进系统的一个或多个组件的连续功率限制。电推进系统的一个或多个组件包括电动马达、能量存储装置和电控制器中的至少一个。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括响应于油门位置、水速、甲板角、吃水深度、纵倾角、估计的阻力分布和估计的负载质量。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括响应于电流历史表格算法、可用功率估算、电流限制要求、达到滑行速度所需的能量以及达到滑行速度所需的功率，确定电推进系统中是否存在足够的功率和能量达到滑行速度。

除了在此所述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括，所述操作还包括响应于目标加速度分布、水速、全球定位系统速度、吃水深度、估计的阻力分布和估计的负载质量，确定在选定的时间段内增加的功率输出量。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括，该操作还包括在所选择的时间段完成时，降低从电力系统输出的电力，使得电力推进系统的一个或多个组件不再超调连续功率限制。

除了在此描述的一个或多个特征之外，或者作为替代方案，其他实施例可以包括，该操作还包括当确定船舶在滑行时，调节电动马达的功率力以进行滑行巡航，并且设置纵倾以进行有效的滑行角。

当结合附图考虑时，根据以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅通过示例的方式在下面的详细描述中出现，该详细描述参考附图，在附图中：

图1是根据本公开的实施例的船舶的框图；和

图2是示出根据本公开的实施例的用于使用超调方法来滑行图1的船舶的算法的框图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。如在此所使用的，术语模块是指处理电路，其可包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或组的)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适的组件。

在此可以根据功能和/或逻辑块组件以及各种处理步骤来描述本公开的实施例。应当理解，可以通过被构造为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件来实现这样的块组件。例如，示例性实施例可以采用各种集成电路组件(例如，存储元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等)，其可以在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下执行多种功能。另外，本领域技术人员将理解，示例性实施例可以结合任何数量的控制系统来实践，并且在此描述的车辆系统仅仅是示例性实施例。

为了简洁起见，与系统的信号处理、数据传送、信号发送、控制和其他功能方面(以及系统的各个操作组件)有关的常规技术在这里可以不进行详细描述。此外，在此包含的各个附图中所示的连接线旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意，在各种实施例中可以存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。

典型的船舶需要大量功率来克服阻力并加速到滑行位置。将船舶加速到滑行位置所需的功率通常决定了船舶推进系统的尺寸。将船舶加速到滑行位置所需的功率通常大于在滑行位置巡航所需的功率。因此，船舶推进系统通常尺寸过大，无法以滑行速度巡航。本公开的实施例试图允许较低功率的船舶电力推进系统临时输出较高的功率以便到达滑行位置，在该点处，然后将功率减小至该推进系统的连续限制，在该限制处，船舶可以有效地以滑行巡航。

现在参考图1，具有船体12的船舶10。船舶10包括可操作地连接到用于移动船体12的可旋转推进器系统14的电推进系统30。电推进系统30包括电动马达40、电子控制器50以及能量存储装置80。应当理解，尽管在示意性框图中分别定义了特定系统，但是可以通过硬件和/或软件将每个或任何系统以其他方式组合或分离。电动马达40可操作地连接到可旋转的推进器系统14。电动马达40可通过变速器17可操作地连接到可旋转推进器系统14。变速器17可包括从电动马达40延伸到可旋转的推进器系统14的驱动轴。应当理解，在此公开的实施例不限于驱动轴传动系统，并且在此公开的实施例可以与将电动马达40与可旋转的推进器系统14互连的其他传动系统一起使用。可旋转的推进器系统14可以包括其自身的内部变速器(为简化起见未示出)，以将变速器17的旋转转换为推进器19的旋转。可旋转的推进器系统14可以包括纵倾装置21，其被构造为调节推进器19的迎角并且可以将推进器向上23或向下25纵倾。可以理解，船舶10可包括能够帮助纵倾船舶10的其他装置，包括但不限于在船体12的底部上的纵倾突片或本领域技术人员已知的任何类似的纵倾装置。

电动马达40可以电连接到能量存储装置80并由其供电。能量存储装置80可以是电池系统(例如，电池或电池组)、燃料电池、液流电池以及其他能够存储和输出电能的装置。在一个实施例中，能量存储装置80可以包括电池系统，其可以采用组织成电池组的多个电池。能量存储装置80电连接到电动马达40和电子控制器50中的至少一个，并且可以直接连接到电动马达40或通过电子控制器50连接到电动马达40。

传感器系统70可以包括多个传感器70A，70B，70C，70D，70E，70F，70G，70H，它们位于整个船舶10的各个位置。传感器70A-70H可以与电子控制器50进行有线的和/或无线的通信。传感器系统70可以包括传感器70A，该传感器70A被构造为检测可旋转推进器系统14的推进功率。在一实施例中，可以不需要传感器70A，推进功率可以是从电子控制器50内的感测的输入确定的计算出的信号。传感器系统70还可以包括传感器70B，以检测船舶10的纵倾角。传感器系统70可以包括传感器70C，以检测电动马达40的操作数据，例如每分钟转数、温度等。传感器系统70可以包括传感器70D，以检测能量存储装置80的操作数据，例如能量存储装置内的每个电池“单元”的电压、电流和温度。根据所检测的能量存储装置80的每个电池单元的电压、电流和温度，可以确定能量存储装置的充电状态、能量存储装置的健康状态以及能量存储装置的温度。传感器系统70可以包括传感器70E，以检测船舶10的甲板15的甲板角度。当船舶10在滑行时，甲板15可形成大约平行于X轴X1和Y轴Y1的平面。当船舶10在滑行时，甲板15也可以大致垂直于Z轴Z1。传感器70E可以被构造为测量沿着X轴X1和Y轴Y1的甲板角度。传感器系统70可以包括传感器70F，以检测船舶10的水速。传感器系统70可以包括传感器70G，以检测船舶10的全球定位系统(GPS)参数，该参数可以包括但不包括限于船舶10的GPS陆地速度、水流方向、天气或本领域技术人员已知的其他类似GPS参数。传感器系统70可以包括传感器70H，以检测船舶10的吃水深度。

电子控制器50具有存储器54和处理器52，其利用来自传感器系统70的传感器数据和来自控制输入面板27的控制输入的组合，执行用于滑行船舶10的存储的算法60。控制器50包括一个或多个控制模块，具有一个或多个处理器52和有形的、非暂时性的存储器(例如，只读存储器(ROM))，无论是光学的、磁性的、闪存的还是其他形式。电子控制器50还可以包括足够数量的存储器54，例如随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等，以及高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及适当的信号调理和缓冲电路。

应当理解，电子控制器50可以被构造为单个或分布式控制装置，该控制装置电连接到传感器系统70、电动马达40、变速器17、可旋转的推进器系统14和包括传感器70A-70H的各种船舶部件或以其他方式放置成与其进行硬连线或无线通信，用于传送和接收用于适当执行算法60的电信号。

电子控制器50可以是用作船舶控制模块和/或用作比例积分微分(PID)控制器装置的主机或分布式系统(例如，诸如数字计算机或微型计算机的计算机)，所述比例积分微分控制器装置具有处理器和有形的、非暂时性计算机可读存储器(例如只读存储器(ROM)或闪存)。因此，控制器50可以包括监视和控制船舶10所必需的所有软件、硬件、存储器、算法、连接、传感器等。因而，由控制器50执行的一种或多种控制方法可以实施为与控制器50相关联的软件或固件。可以理解的是，控制器50还可以包括能够分析来自各种传感器70A-70H的数据、比较数据以及做出监视船舶10何时尝试滑行并暂时增加功率以帮助克服水的阻力并使船滑行进行巡航的决定的任何装置。此外，电子控制器50可以在不同的实施例中构造为包括电动马达控制器、可旋转的推进器系统控制器以及在船舶10上或下的其他控制器。

船舶10可以包括控制输入面板27，以允许驾驶船舶10的个人(即船长)向控制器50输入控制命令。控制器50可以接收控制控制器命令，响应于来自传感器系统70的数据调整控制命令，然后将调整后的控制命令传送(到电动马达40和/或可旋转的推进器系统14。驾驶船舶10的个人也可以将一输入输入到控制输入面板27中，指示另一个个人在船舶10的拖曳(in tow)中(即，其他船舶或船用管)，该输入可以被称为船长可选择模式切换输入。驾驶船舶的个人可以通过控制输入面板27上的船长可选择模式开关指示另一个人正在拖曳。

参考图2，继续参考图1，示出了根据本公开的实施例的用于对船舶10进行滑行的滑行系统300。船舶10上的滑行系统300包括各种传感器70A-70H，并且包括控制器50，该控制器从传感器70A-70H接收输入信号，使得处理器24可以执行表示为各个模块的存储的算法60，每个模块基于传感器输入建模船舶操作的各方面。尽管仅示出了八个传感器70A-70H，但是在滑行系统300中可以包括更多的传感器。基于来自传感器70A-70H的输入，控制器50可以如在此所描述的那样估计或计算船舶10的各种操作特性。

算法60通过使用扩展的卡尔曼滤波器(EKF)160实时确定估计的阻力分布131和估计的负载质量132开始。估计的阻力分布131是船舶10的船体12经历的阻力的估计。估计负载132是对船舶10上的人和货物的总重量的估计。算法60响应于阻力模型定义111、水速112、推进功率113、吃水深度114、船长可选择模式切换输入115、甲板角度116和纵倾角118中的至少一个来确定估计的阻力分布131和估计的负载质量132中的至少一个。阻力模型定义111可以是用于特定船舶10的基线标准阻力模型。传感器70F检测到的水速112可以是船舶10相对于船舶10穿越的水速的速度。可以实时检测水速112。推进功率113可以是由传感器70A检测到的可旋转推进器系统14的推进功率或在此讨论的计算信号a。推进功率113可以被实时检测。吃水深度114可由传感器70H检测。吃水深度114可以被实时检测。甲板角度116可以由传感器70E检测。甲板角度116可以被实时检测。纵倾角118可以由传感器70B检测。纵倾角118可以被实时检测。可以从控制输入面板27实时接收船长可选择模式切换输入115。

算法60通过使用EKF 160结合来自多个源的数据来维持和更新估计的阻力分布131和估计的负载质量132。EKF160是基于递归贝叶斯滤波器的非线性滤波器。递归贝叶斯滤波器，也称为递归贝叶斯估计，本质上将估计的后验(posterior)值代入先前的位置，以在新的估计迭代上计算新的后验值。EKF是一种常用的工具，它允许基于其他可测量的输入来估算已定义系统的不可测量的方面。

对估计的阻力分布131和估计的负载质量132的更新可以被连续地实时地提供给超调方法200。当船舶10试图滑行以进行有效巡航时，超调方法200可以允许临时增加对电力推进系统30的功率。功率的暂时增加被称为超调，并且该超调仅在选定的时间段内发生，以便不损坏电力推进系统30的组件。超调方法200开始于框210处，在其中检测到请求增加油门的命令输入。可以在控制输入面板27处检测到油门的增加。一旦在框210处检测到油门的增加，超调方法200就前进到框220，在此算法60响应于气门位置119、水速112、甲板角116、吃水深度114、纵倾角118、估计的吃水分布131和估计负载质量132检测船舶10是否在滑行。如果在方框220处，确定船舶10在滑行，则超调方法200前进到框230以禁用超调并且设定用于有效的滑行角的纵倾。

如果在框220处确定船舶10不在滑行，则超调方法200移至框240上，以确定在能量存储装置80中是否有足够的功率和能量可用于达到滑行速度。算法60响应于当前历史表格算法141、能量存储装置80的可用功率估计142、电流限制要求143、达到滑行速度144所需的能量和达到滑行速度145所需的功率，来确定是否有足够的功率和能量达到滑行速度。

电流历史表格算法141可以包括在各种时间窗口上监视均方根(RMS)电流，这些时间窗口对应于电流限制要求143也基于的时间窗口。电流历史表格算法141还可包括在与RMS电流相同的时间窗口上监视平均电流。对于包括能量存储装置80、电子控制器50和电动马达40的电力推进系统30的每个组件，可能存在电流历史表格算法141。可用功率估计142是能量存储装置80内可用功率的估计。

当前限制要求143(例如RMS和平均值限制)通常在某些时间窗口内定义。对于包括能量存储装置80、电子控制器50和电动马达40的电力推进系统30的每个组件，可能存在电流限制要求143。例如，能量存储装置70D的电池单元能够在5秒钟内提供100安培的放电电流，但在10秒钟内只能提供50安培的放电电流。电池的“连续”额定值可能仅为5安培的放电电流。这些限制必须通过软件或硬件设计来施加，以使其永不超过。如果超过这些限制，则存在对能量存储装置80的电池进行永久性损坏的风险。对于电子控制器50和电动马达40，可能存在类似的电流限制要求143。

达到滑行速度144所需的能量是从船舶10的当前水速到船舶10的滑行速度所需的能量总量。有利地，确定达到滑行速度144所需的能量允许在当前历史表格算法141和电流限制要求143之间进行比较，以确定能量存储装置70D是否能够在执行超调所需的选定时间段内提供必要的能量。达到滑行速度145所需的功率是从电动马达40达到滑行速度所需的峰值瞬时功率输出。

如果在框240处没有足够的功率或能量可用于达到滑行速度，则超调方法200移至框250以禁用超调。如果在框240处有足够的功率和能量可用于达到滑行速度，则超调方法200移至框260以启用超调。在方框260处，响应于目标加速度分布146、水速112、GPS速度148、吃水深度114、估计的阻力分布131和估计的负载质量132，启用超调并确定超调参数。目标加速度分布146是定义特定加速度分布相对于水速的校准，该特定加速度分布相对于水速已被选择以向船舶10的船长和乘客提供平滑，自然的“感觉”。有利地，目标加速度分布146可以隐藏来自船舶10的船长和乘客的超调方法200的操作，并且还使得在超调方法200期间操作的一致性。

超调参数可包括超调事件所允许的功率量以及预计的滑行时间。同样在方框260处，在选定的时间段内增加电力推进系统30的功率输出，使得电力推进系统30的一个或多个组件被允许在选定的一段时间超调用于电力推进系统30的一个或多个组件的连续功率限制。所选择的时间段可以是可以临时允许电动马达40超过一个或多个组件的连续功率限制而不损坏一个或多个部件的时间段。连续功率限制可以包括电动马达40、电子控制器50或能量存储装置80的任何操作限制，例如电动马达40的扭矩、电动马达40的RPM、电力推进系统30的任何组件的电流、电推进系统30的任何组件的电压或电推进系统30的任何组件的任何其他操作限制，如果超过此限制选定的时间段，则可能会损坏该组件。

然后，超调方法200移至框270，以确定是否已超过估计的滑行时间。如果在框270处，未超过估计的滑行时间，则超调方法200移回到框220。如果在框270处，超过了估计的滑行时间，则超调方法200移动到框280，在框280处，超调方法200已退出。

如上所述，实施例可以采用处理器实现的过程和用于实践那些过程的装置的形式，例如处理器。实施例也可以采用计算机程序代码的形式，该计算机程序代码包含在诸如网络云存储、SD卡、闪存驱动器、CD ROM、硬盘驱动器或任何其他计算机可读存储介质的有形介质中实施的指令，其中当程序代码被加载到计算机中并由计算机执行时，计算机成为用于实施这些实施例的装置。这些实施例也可以是计算机程序代码的形式，例如，是存储在存储介质中，被加载到计算机中和/或由计算机执行，还是通过某种传送介质传送，被加载到计算机中和/或由计算机执行，或者通过某一传送介质传送，例如通过电线或电缆进行传送，通过光纤或经由电磁辐射传送，其中，当将计算机程序代码加载到计算机中并由计算机执行时，计算机成为用于实施这些实施例的装置。当在通用微处理器上实施时，计算机程序代码段将微处理器构造为创建特定的逻辑电路。

术语“大约”旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定数量的测量相关的误差程度。

在此所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如在此所使用的，单数形式“一(a)”，“一个(an)”和“该(the)”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”时，其指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或其组。

尽管已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。