專利名稱：用于測量作用在舵上的力的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量作用在舵上的力的裝置。
背景技術：
基本公知的是，在航海領域中許多水上運輸工具具有自動駕駛系統(tǒng)。它是自動控 制裝置，其常?；谲浖徒?jīng)計算機作用所構成的，而使得水上運輸工具在行駛期間保持 在預先給出的航向上。這種自動駕駛系統(tǒng)通常具有固定點-參比-傳感器或其他種類的位 置測量裝置，如GPS-接收機、回轉羅盤儀，或類似儀器。此外，可提供給自動駕駛裝置系統(tǒng) 其他的參數(shù)，其例如由在水上運輸工具的局部測量裝置測量和進一步輸入。對于概念“水上 運輸工具”在本專利中應理解為確定用于在水上或水中的推進運動(例如船、可移動的鉆井 平臺，等)的各種運輸工具。此外，自動駕駛系統(tǒng)通常包括控制裝置，它用于控制水上運輸 工具的機動裝置構成。特別對于船的機動裝置，特別地可以包括由例如船螺旋舵的工作單 元和例如具有可調節(jié)的舵的舵裝置的控制單元所構成的組合裝置。對于這樣的機動裝置， 自動駕駛裝置系統(tǒng)常常特別用于控制或調節(jié)舵而構成，從而基于輸入自動駕駛裝置系統(tǒng)的 參數(shù)和預先給出的規(guī)則系統(tǒng)可以計算水上運輸工具的實際航向。此外，由現(xiàn)有技術獲知一種用于水上運輸工具的動力學的定位系統(tǒng)。它通常是用 于水上運輸工具，特別是船的自動定位的計算機控制的系統(tǒng)。動力學定位或者可以絕對地 進行-也就是說水上運輸工具在固定的點通過底部而保持-或者相對于一個運動物體，如 船或水下運輸工具而進行。這種動力學定位例如常常應用在鉆井平臺的近海-油-工業(yè)或 其他的近海-水上運輸工具。然而中間方式地也裝備更多的具有動力學定位體系的船，例 如橫向式運輸船。此外，這些系統(tǒng)可具有附加的自動駕駛功能，從而使得水上運輸工具保持 在經(jīng)確定的預先給定的航向上。原則上水上運輸工具也可具有動力學的定位系統(tǒng)和附加的 分開的自動駕駛裝置系統(tǒng)。這種動力學定位系統(tǒng)通常包括固定點-參比-傳感器或其他種 類的位置測量裝置，如GPS-接收機、回轉羅盤儀，或類似儀器。這些裝置提供給動力學定位 系統(tǒng)水上運輸定位數(shù)據(jù)。其他種類的裝置可以是運動報警器，采用其報警器例如可確定滾 動或船的夯實情況。也如自動駕駛裝置系統(tǒng)一樣，動力學定位系統(tǒng)包括控制裝置，其控制裝 置基于導入動力學定位體系的參數(shù)和存放的規(guī)則系統(tǒng)用于控制機動裝置而構成。在此，機 動裝置的控制在通常情況下這樣進行，即應保持預先給定的位置。常常地在包括舵機和驅 動單元的機動裝置的情況下動力學位置系統(tǒng)能控制兩個部件裝置。不僅動力學定位體系而 且用于水上運輸工具的自動駕駛裝置系統(tǒng)在上位概念下可包括用于水上運輸工具的自動 控制系統(tǒng)。此外，動力學定位系統(tǒng)通常還包括至少一種用于測量水上運輸工具的物理量的測 量數(shù)據(jù)的測量裝置或對水上運輸工具起作用的物理量的測量數(shù)據(jù)的測量裝置。自動駕駛裝 置系統(tǒng)也可包括這種測量裝置。在此，例如還已知的是，借助于作為風傳感器所構成的測量 裝置可確定在船上起作用的風強度。此外，另外的或附加的已知的是，采用合適的風裝置能 確定波浪過程。只要提供至少一個測量裝置和用于測量中央控制裝置例如計算機的水上運輸工具的定位數(shù)據(jù)的信息的裝置，那么就能提供關于船的位置和尺寸和作用方向一些環(huán)境 力，其(可)影響水上運輸工具的位置?；谶@些參數(shù)以及在關于所期望的航向的信息上， 動力學的位置系統(tǒng)和/或集成在控制裝置中的自動駕駛裝置系統(tǒng)的計算單元基于一個或 多個預先給定的規(guī)則系統(tǒng)計算必需的控制參數(shù)，由此，控制裝置將控制信號傳到船或水上 運輸工具的機動裝置上并這樣相應地對此有影響。在此，這樣可保持水上運輸工具的所期 望的航向或達到或保持預先給定的位置。水上運輸工具的機動裝置例如可包括轉向裝置和工作單元，特別是工作舵。轉向 裝置又通常包括舵和轉向調節(jié)裝置，特別是舵機。通過控制調節(jié)裝置和工作單元可改變水 上運輸工具或機動裝置的推力和轉向角并從而影響水上運輸工具的運行方向和速度。假如現(xiàn)在確定從已知的自動駕駛裝置系統(tǒng)或動力學的定位系統(tǒng)至經(jīng)給定的時間 點，那么必須基于現(xiàn)有水上運輸工具-和測量數(shù)據(jù)改變水上運輸工具的航向或位置，雖然 控制機動裝置和工作功率(推力)和/或轉向角，然而常常不是處于最佳程度。在此，這樣 水上運輸工具的航向常常通過所期望的航向改變，或所期望的位置不直接達到，以致于又 必須相對控制。實際上，在此這樣達到經(jīng)常的控制或轉向角的調節(jié)以及可能的在較短時間 內達到一定的工作舵的功率改變。這過程也稱作為“轉換滯后”且導致的是，機動裝置需要 費用，或只是延緩調節(jié)所期望的航向或所期望的位置。換言之，這可導致機動裝置的經(jīng)提高 的利用或經(jīng)提高的磨損和導致的是，從船進入了的航向常常不是最佳的。此外，在自動駕駛 裝置系統(tǒng)的情況下通過常常的轉向而提高必需的水上運輸工具的必需的預驅動能。

發(fā)明內容
所以本發(fā)明的目的在于，這樣改善水上運輸工具的自動駕駛裝置系統(tǒng)和/或動力 學的定位系統(tǒng)，即減小轉換滯后。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，用于水上運輸工具特別是船 上測量作用在舵特別是完全擺動舵上的力特別是浮力和/或阻力的裝置，該裝置包括計算 單元，至少一個用于測量舵的物理量值的測量裝置，和用于將所測得的物理量值傳送到計 算單元的裝置，其中配置計算單元用于根據(jù)所測得的物理量值來確定作用在舵上的力。通過具有在舵上起作用的與物理量相關聯(lián)的力的值的測量而可以隨時確定作用 在舵上的力。測量在舵上的物理量值以適合方式多次重復或以預先給定的可能重復的距離 而進行。特別適合的是，在操作時或在水上運輸工具行駛時或水上運輸工具停留時連續(xù)進 行測量。通過本裝置可以確定舵的具體量值，即作用在舵上的力，并輸入到動力學位置系統(tǒng) 或自動駕駛裝置系統(tǒng)上，這些舵量值與其他的參數(shù)一起根據(jù)預先給定規(guī)則系統(tǒng)而使用并由 此能夠更佳地確定最佳的舵角度改變的值或改善功率提高或降低的最佳程度，以便于避免 或至少減小轉換滯后問題。概念“物理量”原則上可以是每個可定量確定的舵或舵裝置的性能。其或者直接采 用至少一個測量裝置(測量值)測量或可由從測量裝置所測得的測量值所導出或計算出。 適合的是，計算借助計算單元而進行。然而測量裝置也可自身地基于測量值用于測量或計 算物理量值而構成。計算單元例如可以是合適的計算機或類似裝置且可由動力學定位系統(tǒng) 的一部分構成。有時這些值也稱作為“物理-技術值”或“技術值”。這樣的概念也包括在 本發(fā)明中。由測量裝置所測量的或所檢測的值傳遞到計算單元的裝置可以為各種合適的裝置。特別可以是通過電纜繩連接的或是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难b置。其測量裝置通常適合地直接 設置在舵上，其中計算單元通常在舵裝置的外部設置在水上運輸工具的底板上。在此，只要 例如電纜可以從舵引到計算單元，測量裝置提供相應的發(fā)射器和計算單元提供相應的接收 器即可。在無線傳輸中也具有合適的發(fā)射器和接收器。計算單元又包括具有基于一個或多個經(jīng)測得的物理量值的合適的規(guī)則系統(tǒng)，其可 根據(jù)作用在舵上的力確定或計算。原則上這些力是適合作用在舵上的力。優(yōu)選地根據(jù)本發(fā) 明確定舵的浮力和/或阻力。在本發(fā)明中對于浮力特別涉及舵的動力學浮力。當物體(舵) 以確定的形式或位置相對于流體(水)運動時，通常形成這種力。流體或液體作用在物體 上的力通常分解成兩個分力分解成動力學的浮力和摩擦阻力(阻力)，其浮力垂直于流動 方向或水上運輸工具縱軸作用，其阻力沿流動方向或水上運輸工具縱軸作用。在海事-技 術專業(yè)領域中概念舵的“浮力，，和“阻力，，也常常用它的英語詞匯“浮力(lift)，，和“阻力 (drag) ”表示，特別是，浮力的大小對舵起決定性作用。浮力有時候也稱作為舵的“側力”。假如已知各自的舵的浮力-或阻力的實際值，那么可基于此由自動駕駛裝置系統(tǒng) 或動力學定位系統(tǒng)非常準確地控制水上運輸工具的舵裝置或驅動裝置，以達到所期望的航 向或所期望的位置。浮力和阻力之間的相互關系在圖5中示意性地示出，在此U。表示的是 水上運輸工具(在此未圖示出)的驅動舵的舵流和用10表示處在這個流內的舵。舵相對于 水上動輸工具縱向18或流動U0的方向呈角度α。通常水上運輸工具縱向18和流動方向 是一致的。由此得出，和垂直于流動方向或水上運輸縱向18運行的浮力是用箭頭20表示 的，與此相反阻力用箭頭21表示和以水上運輸工具縱向18運行。箭頭20、21作為矢量示 出，不僅表示數(shù)值而且表示各個力的方向。由兩個上述的力導出的一個力用箭頭22表示。 在圖5中所示出的相互關系特別地對于水上運輸工具的自動駕駛裝置系統(tǒng)是重要的，因為 這基本上只調節(jié)舵和通常不對驅動單元起作用，從而在此對于舵的浮力的程度對于舵角度 和相應的控制是非常重要的。根據(jù)本發(fā)明可相應地對于自動駕駛裝置系統(tǒng)用基本較少的和 較小的舵振動是夠用的，在此這樣可顯著地節(jié)省水上運輸工具的必需的推進能量。根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選的實施方案在從屬權利要求中給出。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案中物理量是彎曲應力和/或轉矩。另外通過彎曲 應力也可以測出作用在舵上且在舵中引起彎曲應力的彎矩。在彎曲應力的基礎上不僅浮力 而且阻力可毫無困難地通過計算測得。這基于對舵起作用的扭力，也就是轉矩也是可能的。 特別優(yōu)選的是，不僅彎曲應力而且轉矩都是可確定的，以得到在對舵起作用的力的計算時 盡可能高的準確度。彎曲應力可由于它的拉緊的種類特別優(yōu)選地在完全擺動舵時測量。特別合適的是，配置至少一個測量裝置用于測量對舵桿筒和/或舵的舵軸作用的 彎曲應力和/或用于測量對舵的舵軸起作用的轉矩。舵桿筒特別使用于完全擺動舵中并由 水上運輸工具體向著舵導入的空載體構成，在其內部設置和放置舵軸。此外，在此優(yōu)選的 是，至少一個測量裝置設置在舵桿筒上，特別是在舵桿筒的內殼體上，和/或在舵軸上，特 別是在舵軸的外殼體上。完全擺動舵的舵桿筒是這樣設置的，即它承受作用在舵上的彎曲 應力且引入水上運輸工具體。只要彎曲應力的測量在此是特別地合適的。在舵軸上的轉矩 的測量也是合適的，因為這構成舵的轉軸。特別優(yōu)選的是，至少一個測量裝置設置在上部、朝向船體的舵軸區(qū)域中和/或朝 向舵桿筒的區(qū)域中。在此優(yōu)選的是，在上半部中，特別優(yōu)選在舵軸或舵桿筒的上三分之一中設置測量裝置。所以這是特別優(yōu)選的，因為在這個區(qū)域彎曲是最大的，且此外上述區(qū)域在最 前面可達到的用于測量裝置的安裝。特別地該區(qū)域常常還處在船體的內部，以致于也可以 以較簡單的種類和方式安裝電纜或類似物。為了得到測量的特別高的冗余度或為了測量兩個物理量，特別不僅是彎曲應力且 是轉矩，合適的是，具有兩個測量裝置，其優(yōu)選各自在舵桿筒和/或舵軸上設置。此外兩個 測量裝置在這個實施方案中關于圓柱形的舵桿筒或舵軸外圍交錯呈80°至100°設置，特 別是基本上交錯呈90°設置。這二個測量裝置的互相交錯的設置特別在橫截面前視圖中是 可獲知的。在此優(yōu)選的是，舵的浮力和阻力也基本上互相正交地起作用，以致于各自可具有 用于測量物理量的測量裝置，其構成用于測量各自的上述力的主位置。然而原則上也可只 在舵軸處或只在舵桿筒上進行測量。原則上測量裝置包括各種合適的，由現(xiàn)有技術已知的裝置。特別優(yōu)選的是至少一 個測量裝置包括應變計，光學測試儀，和/或用于擺動頻率的測量的裝置。在此這樣以簡單 和成本低廉的方式可得到可靠的測量結果，在此基礎上可測量物理量值。此外，本發(fā)明的基本目的通過用于測量在舵上特別是完全擺動舵的方法實現(xiàn)，對 于水上運輸工具，特別是船，所測量的力而實現(xiàn)，在該方法中舵的物理量的至少一個值，特 別是轉矩和/或彎曲力，采用至少一個測量裝置而測得，在該方法至少一個所測得的值轉 送到計算單元上，和在該方法中采用計算單元基于所測得的至少一個值而確定對舵起作用 的力，特別是浮力和/或阻力。優(yōu)選的是對于轉矩的測量在舵的舵軸上和對于彎曲應力在 舵的舵軸上和/或在舵桿筒上進行。特別地該方法可采用根據(jù)本發(fā)明的，上述的裝置而實 施。此外合適的是，在舵桿筒上和/或在舵軸上具有兩個測量裝置并基于一個測量裝 置的測量值而確定舵的浮力和基于另一個測量裝置的測量值而確定舵的阻力。此外，本發(fā)明的基本目的通過用于水上運輸工具，特別是船的自動定位的動力學 定位系統(tǒng)而實現(xiàn)，采用舵，特別是完全擺動舵、調節(jié)裝置，特別是舵機，用于調節(jié)舵和驅動螺 旋舵而實現(xiàn)，其包括用于控制調節(jié)裝置的控制裝置和/或驅動螺旋舵的控制裝置，用于測 量水上運輸工具定位數(shù)據(jù)的裝置，和至少一個用于測量對水上運輸工具起作用的物理量或 水上運輸工具的物理量的測量裝置。此外，控制裝置用于控制調節(jié)裝置和/或驅動螺旋舵， 其基于水上運輸定位數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)而構成的。此外根據(jù)本發(fā)明構成至少一個測量裝置用 于測量舵的物理量的舵測量數(shù)據(jù)的測量裝置。此外，根據(jù)本發(fā)明構成至少一個用于測量舵 的物理量的舵測量數(shù)據(jù)的測量裝置，控制裝置是構成它的用于關于調節(jié)裝置的控制和/或 驅動螺旋舵的控制的舵測量數(shù)據(jù)的考慮。此外，本發(fā)明的基本目的通過用于水上運輸工具特別是船的自動航向控制的自動 駕駛系統(tǒng)實現(xiàn)，其具有舵特別是完全擺動舵和調節(jié)裝置特別是舵機，用于舵的調節(jié)，包括用 于控制調節(jié)裝置的控制裝置，用于測量水上運輸工具定位數(shù)據(jù)的裝置，其裝置用于將水上 運輸定位數(shù)據(jù)傳送到控制裝置上而構成，和至少一個用于測量作用于水上運輸工具物理量 的測量值的測量裝置，根據(jù)本發(fā)明其中至少一個測量裝置用于將所測得的測量數(shù)據(jù)傳送到 控制裝置上而構成，控制裝置基于水上運輸工具定位數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)用于控制調節(jié)裝置而 構成，至少一個測量裝置用于測量舵的物理量的舵測量數(shù)據(jù)而構成，控制裝置用于考慮關 于調節(jié)裝置調節(jié)的舵測量數(shù)據(jù)而構成。
對于兩個系統(tǒng)，用于測量水上運輸工具定位數(shù)據(jù)的裝置將其數(shù)據(jù)傳送到控制裝置 上。至少一個測量裝置測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂蒲b置上。測量數(shù)據(jù)可以是舵的物理量的經(jīng)測量 的值或也基于所測得的或所計算的測量裝置的真實的所測得的值。根據(jù)本發(fā)明現(xiàn)在首次代 替常用的，由現(xiàn)有技術已知的測量數(shù)據(jù)而應用作用于舵上物理量的舵測量數(shù)據(jù)。這些舵測 量數(shù)據(jù)也傳輸?shù)娇刂蒲b置上和用于確定水上運輸工具的自動定位或自動航向控制，也就是 特別是基于舵數(shù)據(jù)由動力學定位-或自動駕駛裝置系統(tǒng)的控制裝置所進行。從而通過根據(jù) 本發(fā)明系統(tǒng)可以進行水上運輸工具的機動裝置的非常精確的控制和從而顯著減小轉換滯 后。從而對于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)首次涉及測量數(shù)據(jù)，其不包括舵，用于水上運輸工具的定位 或控制。舵的物理量優(yōu)選為彎曲應力和/或轉矩。此外，構成用于測定作用于舵上的力，特別是浮力和/或阻力，其基于所測得的舵 的物理量的值的控制裝置或還可能為分開的計算單元。然后作用于舵的力用于定位或航向 控制并特別用于水上運輸工具的機動裝置的控制。根據(jù)上述的本發(fā)明的用于測量作用于舵上的力的設置的實施方案可構成兩個 系統(tǒng)中的至少一個測量裝置。特別地整個的、上述的根據(jù)本發(fā)明的設置可以是動力學定 位-或自動駕駛裝置系統(tǒng)，在此由根據(jù)本發(fā)明的設置構成的計算單元的功能可由各自的系 統(tǒng)的控制裝置采納接受。另外計算單元也可分開在具有兩個系統(tǒng)中的一個之內。在一個優(yōu)選的系統(tǒng)的實施方案中，具有另一個測量裝置，其構成用于測量關于水 上運輸工具，特別是水上運輸工具的推進的驅動力的水上運輸工具驅動測量數(shù)據(jù)。這在水 上運輸工具的驅動舵的驅動軸處是優(yōu)選的。此外構成用于關于調節(jié)裝置和/或驅動舵的控 制的水上運輸工具驅動測量數(shù)據(jù)的考慮的控制裝置。從而在該實施方案中，除了舵測量數(shù) 據(jù)，水上運輸驅動測量數(shù)據(jù)用于控制水上運輸工具的機動裝置或一起向處于控制的規(guī)則系 統(tǒng)中加入。所以是特別合適的，因為水上運輸工具的推進精確地相對于舵的阻力起作用或 減小至舵的阻力。只要在附加的水上運輸工具驅動測量數(shù)據(jù)的預見是可能的，那么通過水 上運輸工具驅動測量數(shù)據(jù)而得到很大程度的信息。特別地基于這些數(shù)據(jù)控制裝置可以測量 或計算凈機動力(“凈機動力”)并且這對于機動裝置的控制過程是一起投入使用的。這些 單個的力之間的內在關聯(lián)通過在圖6中示意圖表示。該示意圖是基于圖5的示意圖，在此 附加地起反作用的阻力21的推進23稱作為矢量箭頭。由凈推力23b(=推力-阻力)和 浮力20可作為得出的力測量凈機動力24。在圖5中所示出的內在關聯(lián)特別地在動力學的 定位系統(tǒng)中是意義重大的，因為這不僅常常構成用于舵的控制而且常常構成驅動單元。此外，本發(fā)明的基本目的通過用于動力學定位和/或用于水上運輸工具，特別是 船的自動航向控制的方法而實現(xiàn)，該方法包括下列步驟a)測量水上運輸工具至少一個舵特別是完全擺動舵的物理量，特別是轉矩或彎曲 應力的值，b)基于所測得的舵的物理量的值確定作用在舵上的力，特別是浮力和/或阻力，c)基于在步驟b)中所確定的力和可能的其他的水上運輸工具定位數(shù)據(jù)和/或 水上運輸測量數(shù)據(jù)，控制水上運輸工具用于調節(jié)舵、特別是舵機的調節(jié)裝置，和/或驅動單 元，且可能的是，d)重復步驟 a)-C)。
水上運輸工具測量數(shù)據(jù)在此是關于作用在水上運輸工具的物理量，例如風強度、 波浪過程等的測量數(shù)據(jù)。合適方式地單個的方法步驟在水上運輸工具行駛期間總是重復 的。從而作用在舵上的力也是連續(xù)地和以重復的種類和方式進行測量，這導致關于最佳的 定位或水上運輸工具的航向方向高質量的結果。特別地可實施具有根據(jù)本發(fā)明的、上述的 動力學定位-或自動駕駛裝置系統(tǒng)的方法。此外，在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選的實施方案中可測量水上運輸工具的驅動 力，特別是推力。然后在這種內在關聯(lián)中合適的是，能測定不僅浮力而且阻力和能確定基于 上述三種力的水上運輸工具機動力或水上運輸工具的凈機動力，在此進行在步驟c)中基 于水上運輸工具機動力的控制。在此這樣可進一步減小轉換滯后。此外，本發(fā)明的基本目的通過舵，特別是完全擺動舵，用于水上運輸工具，特別是 船而實現(xiàn)，其包括舵桿筒和舵軸，在此在舵桿筒處和/或在舵軸處具有至少一個測量裝置， 其構成用于測量舵的物理量，特別是在舵桿筒中和/或舵軸中和/或在舵軸中轉矩的彎曲 應力。此外，舵包括用于將至少一個測量裝置所測得的值傳送到數(shù)據(jù)處理單元上的裝置。數(shù) 據(jù)處理單元特別可以是計算機和可屬于動力學的定位-或自動駕駛裝置系統(tǒng)，以致于舵的 測量裝置可與這樣的系統(tǒng)耦合。物理量的值或者直接測量或者基于所測量的數(shù)據(jù)采用測量 裝置或可能的其他的計算-或數(shù)據(jù)處理單元而測定。采用這樣的舵可通過舵力或舵作用而 傳送給上述的系統(tǒng)附加的信息，以使水上運輸工具的機動裝置的控制可更精確地進行并可 減小轉換滯后。最后本發(fā)明的基本目的通過計算機程序產(chǎn)品實現(xiàn)，其包括計算機可讀的存儲介 質，在該存儲介質上存儲程序，其可由計算機實現(xiàn)，在存入計算機的存儲器中后，實施根據(jù) 本發(fā)明先前描述的方法之一，可以根據(jù)本發(fā)明的裝置一起或根據(jù)本發(fā)明動力學定位系統(tǒng)而 實施。


以下本發(fā)明根據(jù)不同的在附圖中所示出的實施例而更清楚地得到解釋。附圖示 出圖1是具有用于測量轉矩和彎曲力的測量裝置的舵的部分截面?zhèn)让鎴D，圖2是具有用于轉矩和彎曲力的測量裝置的舵桿筒和舵軸的部分區(qū)域的剖面圖，圖3是動力學定位體系的示意圖，圖4是自動駕駛裝置系統(tǒng)的示意圖，圖5是用于表示在浮力和阻力之間的內在關聯(lián)的力矢量示意圖，和圖6是由圖5具有附加的記錄了的推力-和凈機動力。附圖標記說明表10 舵11動力學定位系統(tǒng)Ila自動駕駛裝置系統(tǒng)12 裝置13控制裝置14用于測量水上運輸工具定位數(shù)據(jù)的工具
15風測量裝置16舵調節(jié)裝置17水上運輸工具驅動單元18水上運輸工具縱向方向20浮力21阻力22得出的力M推力23b凈推力24凈機動力25內孔26船體27測量裝置/筒28測量裝置/軸29計算單元30舵桿筒30a舵桿筒下端35收縮36鋪板37鋪板40舵軸50舵板51鰭板70支承件71支承件U0螺旋舵流α舵角
具體實施例方式
圖1示出舵10的側面圖，該舵10包括舵桿筒30，舵軸40以及具有可偏轉的鰭板 51的舵板50。舵桿筒30、舵軸40以及舵板50的部分區(qū)域在剖面圖中示出。舵桿筒30的 上部區(qū)域與船體沈固接。舵桿筒30還具有內孔25，其承接舵軸40。舵桿筒30優(yōu)選地導 入到舵板50中的圓柱形縮口 35中，其縮口 35承接舵桿筒30的自由端30a。縮口 35通過 舵板50側鋪板36、37而限制。舵軸40通過它的從舵桿筒30突出的且向舵板50突出的端 區(qū)域40a與舵板50連接。此外具有用于在舵桿筒30中支承舵軸40的或用于將舵桿筒30 支承在舵板50中的支承件70、71。在舵軸40的上區(qū)域的舵軸40表面上具有測量裝置觀， 舵軸40的上區(qū)域處于船體沈的內部且還未在舵板50上。測量裝置觀固定地安裝在舵軸 40的表面上。該測量裝置觀包括應變計。另一個測量裝置27設置在內殼體上或在舵桿筒 30的上部區(qū)域的舵桿筒30的內側上并在測量裝置觀的附近。這樣設置測量裝置27、28的優(yōu)點是，它們還設置在船體26內部，因此相對容易地被裝入且在此相應地也可將電纜或類 似物較不復雜地導入測量裝置。此外測量裝置27J8設置在舵軸40或舵桿筒30的較大的 彎曲度的區(qū)域中，以致于在此可達到最佳的測量結果的目的。原則上測量裝置27也可設置 在舵桿筒30的外殼體上。測量裝置27也包括應變計。測量裝置觀用于在舵軸40中測量 或檢測轉矩而構成，而借助測量裝置27可測量在舵桿筒30上產(chǎn)生的彎曲應力。所測得或 檢測得的值由兩個測量裝置27、觀傳遞到計算單元(在此未圖示出)上。對此，在每個測 量裝置27、28中集成設置傳送-或發(fā)射件(在此未示出)，其適合用于數(shù)據(jù)的無線傳送。圖2示出舵在其中所設置的舵軸40的舵桿筒30的部分區(qū)域。在該示意圖中也在 舵軸表面上設置用于測量舵軸40轉矩和/或彎曲應力的測量裝置觀。不設置其他測量裝 置。因此，在圖2的實施方式中，作用在舵上的力只通過在舵軸40上設置的測量裝置而進 行，其測量裝置通?；蛘哂糜跍y量轉矩或者用于測量彎曲應力而構成。測量裝置洲也具有 發(fā)射-或傳送件，用于將數(shù)據(jù)傳遞到計算單元(在這里未示出)中。圖3示出了動力學定位系統(tǒng)11的示意圖。該系統(tǒng)11包括一個用于測量作用在舵 上力的裝置12。測量裝置27、觀測量在舵上的彎曲應力或轉矩。所測得的或檢測的數(shù)據(jù)從 測量裝置27J8傳遞到計算單元四上，其計算單元四處于船的底部(在此未示出)。計 算單元四基于所測得的彎曲應力和轉矩的值計算舵10的浮力20和/或阻力21并將其力 的值傳遞到動力學定位系統(tǒng)11的控制裝置13上。原則上計算單元四也可在預先設置的 步驟中基于測量值首先測得轉矩或彎曲應力。此外，控制裝置13由作為GPS-接收器所構 成的部件獲得用于測量水上運輸工具定位數(shù)據(jù)14的水上運輸工具數(shù)據(jù)并獲得由風測量裝 置15通過在水上運輸工具周圍的風強度的數(shù)據(jù)。在此，可能還有用于測量水上運輸工具定 位數(shù)據(jù)的其他測量裝置與控制裝置13連接。基于傳遞到控制裝置13的值或參數(shù)，控制裝 置13測量或計算基于在控制裝置13中所存儲的或預先給定的規(guī)則系統(tǒng)，其規(guī)則系統(tǒng)也是 在控制裝置13中存儲的用于最佳地達到或含有所期望位置的舵角度或驅動力。對于這個 計算步驟根據(jù)本發(fā)明也考慮浮力20和/或阻力21?；谒鶞y得的舵角度或所測得的功率 強度，控制裝置13控制用于調節(jié)舵角度的調節(jié)裝置16和/或用于提高或降低水上運輸工 具推力的水上運輸工具驅動單元17。上述的過程在水上運輸工具驅動期間總是重復的，以 確保水上運輸工具停留在前面所期望的位置上。圖4示出的是自動駕駛裝置系統(tǒng)Ila的示意圖。這個示意圖或自動駕駛裝置系統(tǒng) Ila基本對應于在圖3中所示出的動力學定位系統(tǒng)。與動力學定位系統(tǒng)11不同的是自動駕 駛裝置系統(tǒng)Ila的控制裝置13只控制用于調節(jié)舵角度的調節(jié)裝置16而不調節(jié)水上驅動單 元。此外，也沒有風測量裝置或類似裝置，因為這種參數(shù)在水上運輸工具的行駛時對于航向 控制只起次要作用。
權利要求
1.一種用于水上運輸工具、特別是船上測量作用在舵(10)、特別是完全擺動舵上的 力、特別是浮力00)和/或阻力的裝置(12)，該裝置包括計算單元( )，至少一個 用于測量舵的物理量的值的測量裝置07、觀)，和用于將所測得的物理量的值傳送到計算 單元09)的裝置，其中配置計算單元09)用于根據(jù)所測得的物理量的值來確定作用在舵 (10)上的力。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其特征在于，所述物理量是彎曲應力和/或轉矩。
3.根據(jù)權利要求2的裝置，其特征在于，配置至少一個用于測量作用于舵(10)的舵桿 筒(30)和/或舵軸00)上的彎曲應力的測量裝置0738)，和/或構成至少一個用于測量 作用于舵(10)的舵軸00)上的轉矩的測量裝置0738)。
4.根據(jù)權利要求3的裝置，其特征在于，至少一個測量裝置(27、28)設置在舵桿筒 (30)上，特別是設置在舵桿筒(30)的內殼體上，和/或設置在舵軸GO)上，特別是設置在 舵軸GO)的外殼體上。
5.根據(jù)權利要求4的裝置，其特征在于，至少一個測量裝置07、觀)設置在舵桿筒 (30)和/或舵軸00)的上部區(qū)域，優(yōu)選設置在上半部區(qū)域，特別優(yōu)選設置在上三分之一的 區(qū)域。
6.根據(jù)權利要求4或5的裝置，其特征在于，在舵桿筒(30)上和/或在舵軸00)上具 有兩個測量裝置07、觀)，其中測量裝置(27、28)在舵桿筒(30)或舵軸00)外圍彼此交錯 呈80°至100°設置，特別是基本上交錯呈90°設置。
7.根據(jù)上述權利要求之一的裝置，其特征在于，至少一個測量裝置(27、28)包括應變 計，光學測量儀，和/或用于測量擺動頻率的裝置。
8.一種用于水上運輸工具、特別是船上測量作用于舵(10)上、特別是完全擺動舵上力 的方法，其中至少一個舵(10)的物理量、特別是轉矩和或彎曲應力的值借助至少一個測量 裝置(27、28)測量，其中至少一個所測得的值傳送到計算單元(四)，借助計算單元09)基 于所測得的至少一個值確定作用于舵(10)上的力，特別是浮力00)和/或阻力(21)，優(yōu)選 采用至少一個在舵(10)的舵桿筒(30)上和/或舵軸00)上的測量裝置07、觀)實施測 量。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其特征在于，在舵桿筒(30)上和/或在舵軸00)上設有兩 個測量裝置，并基于一個測量裝置(XT)的測量值確定舵(10)的浮力00)，以及基于另一個 測量裝置08)的測量值確定舵(10)的阻力01)。
10.一種用于水上運輸工具、特別是船的自動定位的動力學定位系統(tǒng)(11)，具有舵 (10)、特別是完全擺動舵，調節(jié)裝置(16)、特別是舵機，用于舵(10)和驅動單元(17)、特別 是驅動螺旋舵的調節(jié)，動力學定位系統(tǒng)(11)包括用于控制其調節(jié)裝置(16)和/或驅動單 元(17)的控制裝置(13)，用于測量水上運輸工具定位數(shù)據(jù)的裝置(14)，配置該裝置(14) 用于將水上運輸定位數(shù)據(jù)傳送到控制裝置(13)，和至少一個用于測量作用于水上運輸工具 上的物理量測量數(shù)據(jù)的測量裝置，其中配置所述至少一個測量裝置用于將所測得的測量數(shù) 據(jù)傳送到控制裝置(13)，其中配置控制裝置(1 用于基于水上運輸定位數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù) 控制調節(jié)裝置(16)和/或驅動單元(17)，其特征在于，配置至少一個測量裝置(27、28)用 于測量舵(10)的物理量的舵測量數(shù)據(jù)，配置控制裝置(1 用于考慮關于調節(jié)裝置(16)和 /或驅動單元(17)的控制的舵測量數(shù)據(jù)。
11.一種用于水上運輸工具、特別是船的自動航向控制的自動駕駛系統(tǒng)(11a)，具有舵 (10)、特別是完全擺動舵，和調節(jié)裝置(16)、特別是舵機，用于舵的調節(jié)，包括用于控制調節(jié) 裝置(16)的控制裝置(13)，用于測量水上運輸工具定位數(shù)據(jù)的裝置(14)，配置該裝置(14) 用于將水上運輸定位數(shù)據(jù)傳送到控制裝置(13)，和至少一個用于測量作用于水上運輸工具 物理量的測量值的測量裝置，其中配置至少一個測量裝置用于將所測得的測量數(shù)據(jù)傳送到 控制裝置(13)，配置控制裝置(1 用于基于水上運輸工具定位數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)控制調節(jié) 裝置(16)，配置至少一個測量裝置(27、28)用于測量舵(10)的物理量的舵測量數(shù)據(jù)，并配 置控制裝置(1 用于考慮關于調節(jié)裝置(16)的控制的舵測量數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權利要求10或11的系統(tǒng)，其特征在于，舵(10)的物理量是彎曲應力和/或轉矩。
13.根據(jù)權利要求10-12之一的系統(tǒng)，其特征在于，配置所述控制裝置(13)用于基于舵 (10)的物理量的舵測量數(shù)據(jù)測量作用于舵(10)上的力，特別是浮力00)和/或阻力。
14.根據(jù)權利要求10-13之一的系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)權利要求3-7之一配置至少一 個測量裝置(27,28) 0
15.根據(jù)權利要求10-14之一的系統(tǒng)，其特征在于，設有另一個測量裝置，其被配置用 于測量關于水上運輸工具驅動力、特別是推力的水上運輸工具驅動測量數(shù)據(jù)，且優(yōu)選設置 在驅動單元(17)上、特別是在驅動螺旋舵的驅動軸上，其中配置控制裝置(1 用于考慮關 于調節(jié)裝置(16)和/或驅動單元(17)的控制的水上運輸工具驅動測量數(shù)據(jù)。
16.一種用于水上運輸工具、特別是船的動力學定位和/或用于自動航向控制的方法， 其包括下列步驟a.)測量水上運輸工具的舵、特別是完全擺動舵的至少一個物理量、特別是轉矩或彎曲 應力的值，b.)基于所測得的舵(10)的物理量的值確定作用在舵上的力，特別是浮力00)和/或 阻力01)，c.)基于在步驟b.)中所確定的力和可能的其他的水上運輸工具定位數(shù)據(jù)和/或水上 運輸測量數(shù)據(jù)，控制水上運輸工具用于調節(jié)舵(10)、特別是舵機的調節(jié)裝置(16)，和/或驅 動單元(17)，且可能的是，d.)重復步驟a.)-c.)。
17.根據(jù)權利要求16的方法，其特征在于，測量水上運輸工具的驅動力、特別是推力 (23)，在步驟b.)中測量浮力00)和阻力(21)，和基于上述的力確定水上運輸工具機動力 (M)，其中在步驟c.)中的控制根據(jù)所確定的水上運輸機動力04)實現(xiàn)。
18.根據(jù)權利要求8、9、16或17的方法，其特征在于，在水上運輸工具的驅動期間連續(xù) 測量作用于舵(10)上力。
19.一種用于水上運輸工具、特別是船的舵(10)，特別是完全擺動舵，具有舵桿筒(30) 和舵軸(40)，其中在舵桿筒(30)上和/或舵軸00)上設有至少一個測量裝置07、觀)，配 置測量裝置(27、28)用于測量舵(10)的物理量的值，特別是在舵桿筒(30)中和/或舵軸 (40)中的彎曲應力和/或在舵軸GO)中的轉矩，并且其中設有用于將至少一個測量裝置 (27,28)所測得的值傳送到數(shù)據(jù)處理單元09)的裝置。
20.根據(jù)權利要求19的舵，其特征在于，根據(jù)權利要求3-7之一配置至少一個測量裝置(27,28)。
21.一種計算機程序產(chǎn)品，其包括計算機可讀的存儲介質，在該存儲介質上存儲程序， 在載入計算機的存儲器中之后，其能夠使計算機實施根據(jù)權利要求8、9、16、17或18之一的 方法，可以會同根據(jù)權利要求1-7之一的裝置(12) —起或根據(jù)權利要求10-15之一的系統(tǒng) (IlUla)而實施。
22.—種計算機可讀的存儲介質，在該存儲介質上存儲程序，在載入計算機的存儲器中 之后，其能夠使計算機實施根據(jù)權利要求8、9、16、17或18之一的方法，可以會同根據(jù)權利 要求1-7之一的裝置(12) —起或根據(jù)權利要求10-15之一的系統(tǒng)(IlUla)而實施。
全文摘要
為了在用于水上運輸工具的動力學定位體系(11)和/或自動駕駛裝置系統(tǒng)(11a)中減少轉換滯后的問題，具有用于測量的作用于水上運輸工具舵(10)上力的裝置(12)，其包括計算單元(29)，至少一個用于測量舵(10)的物理量值的測量裝置(27、28)，具有用于將所測得的物理量的值傳送到計算單元(29)上的裝置，其中配置計算單元(29)用于基于所測得的物理大小的值來確定作用在舵(10)上的力。
文檔編號B63H25/14GK102050221SQ20101053690
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權日2009年11月6日
發(fā)明者迪克·萊曼 申請人:貝克船舶系統(tǒng)有限公司