CN103863540A - 一种风帆控制机构、控制方法及帆船 - Google Patents

Abstract

本发明属于帆船控制领域，提供一种风帆控制机构、控制方法及帆船，所述风帆控制机构包括主驱动部件和传动部件。主驱动部件，用于接收控制指令并输出动力控制执行收帆动作或张帆动作；传动部件，与主驱动部件和风帆连接，用于将动力传递到风帆上；主驱动部件包括张帆驱动子部件和收帆驱动子部件，张帆驱动子部件和收帆驱动子部件均具有驱动件、与驱动件一侧连接的卷盘和与驱动件另一侧连接的旋转编码器。本发明通过张帆驱动子部件和收帆驱动子部件能有效实现对风帆的控制，而且能根据帆船航行的需求，接收控制指令自动调整风帆帆面的受风面积，达到充分有效利用风能的目的。主驱动部件均集中设置在船体上的防水密封盒中，方便安装和维护。

Description

一种风帆控制机构、控制方法及帆船

技术领域

本发明涉及帆船控制领域，尤其涉及一种风帆控制机构、控制方法及帆船。

背景技术

自主驾驶帆船可以长时间进行大海域或者大流域的警卫巡逻、科学考察、环境监察等，对风能这一可再生能源的高效利用可显著提高其续航能力，而如何有效地控制风帆则又是高效利用风能的关键。

帆船可以借助风帆推动船舶运行，风帆的受风面积及张紧状态会直接影响航行速度。现有帆船的风帆主要可分为横帆和纵帆两大类，横帆与船体垂直方向悬挂；纵帆与船体平行方向悬挂。横帆帆船只能用于顺风行驶，纵帆帆船可用于顺风行驶和逆风行驶。并且纵帆帆船更容易在逆风中航行，故而在风向多变的近海有优势，纵帆帆船具有绝对性优势。而纵帆帆船在进行逆风行驶时，对风帆的控制要求则更高。而现有纵帆帆船的风帆控制主要是通过人工手动操作，控制参数需要根据船员的经验把握。当风向改变时，而仅通过人工操作改变风帆帆面的迎风角及张紧状态会有一定的迟滞性，无法及时有效地实现对风帆帆面的迎风角和张紧状态的控制，从而无法达到及时有效控制风帆帆面的受风面积，无法实现风能的有效利用。并且通过人工操作控制风帆，对于操作者来说，劳动强度大、而且如果操作不当或者出现误操作时也会存在一定的安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种风帆控制机构、控制方法及帆船，能及时有效地实现对风帆的收帆、张帆和张紧状态进行控制，而且能根据帆船航行的需求，接收控制指令及时地自动控制调整和维持风帆帆面的受风面积，达到充分有效利用风能的目的。

为了实现上述目的，本发明提供一种风帆控制机构，用于控制帆船风帆的收帆和张帆，包括主驱动部件和传动部件。主驱动部件，用于接收控制指令并输出动力控制执行收帆动作或张帆动作；

传动部件，与主驱动部件和风帆连接，用于将动力传递到风帆上执行收帆动作或张帆动作；

所述主驱动部件包括张帆驱动子部件和收帆驱动子部件，所述张帆驱动子部件和收帆驱动子部件均具有驱动件、与驱动件一侧连接的卷盘和与驱动件另一侧连接的旋转编码器。

其中，所述主驱动部件还包括防水密封盒，所述驱动件和旋转编码器均位于所述防水密封盒中，所述卷盘伸出防水密封盒之外。

其中，所述传动部件包括牵引件、第一中继滑轮、第二中继滑轮、设置在船尾部的第二滑轮和设置在靠近桅杆一侧的第三滑轮，所述牵引件包括收帆牵引件和张帆牵引件；

所述张帆牵引件一端与风帆的后缘连接，通过设置在船尾部的第二滑轮、第一中继滑轮，最后卷绕于张帆驱动子部件的卷盘之上；

收帆牵引件一端卷绕于桅杆的根部，通过设置在靠近桅杆一侧的第三滑轮、第二中继滑轮，最后卷绕于收帆驱动子部件上的卷盘之上。

其中，所述风帆和收帆牵引件同时绕于桅杆之上，两者的卷绕方向相反。

其中，所述牵引件为绳索。

其中，所述主驱动部件进一步包括具有自锁功能的元器件。

其中，所述具有自锁功能的元器件为蜗轮蜗杆减速器或自锁行星减速器。

为了实现上述目的，本发明还提供一种风帆控制方法，包括步骤：

接收控制指令并输出动力控制执行收帆动作或张帆动作；

检测张帆驱动子部件的卷盘的旋转角度，计算风帆张开尺寸L；

检测收帆驱动子部件的卷盘的旋转角度，计算风帆在桅杆上的卷绕尺寸L′；

估算风帆受风后张紧状态的形位尺寸，即风帆偏转角α和风帆弦深P之间关系：α=f1(P)=f2(L，L′，w)；

其中L为风帆张开尺寸，L′为风帆在桅杆上的卷绕尺寸，w代表风的因素。

为了实现上述目的，本发明再提供一种帆船，包括在船体上的桅杆和一侧固定在桅杆上的风帆，还包括如上述任一项所述的风帆控制机构。

其中，所述桅杆根部与帆船船体之间设有桅杆安装轴承。

本发明提供的所述风帆控制机构、控制方法及帆船能通过张帆驱动子部件和收帆驱动子部件及时有效地实现对风帆的张帆、收帆和张紧状态进行控制，而且能根据帆船航行的需求，接收控制指令及时自动控制调整风帆帆面的受风面积，达到充分有效利用风能的目的。

本发明风帆控制机构的主驱动部件均集中设置在船体上的防水密封盒中，方便安装和维护，同时能有效保护主驱动部件，防止受潮。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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他的附图。

图1为本发明实施例帆船的整体结构示意图；

图2为本发明实施例风帆控制机构的局部结构示意图；

图3为本发明实施例帆船桅杆根部局部示意图；

图4为本发明实施例帆船风帆参数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例一：

请参阅图1及图2，其为本发明实施例提供的一种风帆控制机构，用于控制帆船风帆的收帆和张帆，包括主驱动部件3和传动部件。所述主驱动部件3，用于接收控制指令并输出动力控制执行收帆动作和张帆动作。

本实施例中，所述主驱动部件3安装固定在船体1的船舱内或甲板上。

传动部件，用于执行收帆动作和张帆动作，传动部件与所述主驱动部件3、风帆4和桅杆5连接，用于将动力传递到桅杆5和一侧固定在桅杆5上的风帆4上。

本实施例中，所述传动部件为绳索传动部件，即采用滑轮-绳索机构，将主驱动部件3输出的动力通过滑轮-绳索传递给风帆4和桅杆5，实现风帆的收帆、张帆和帆面张紧状态的控制。

所述主驱动部件3包括张帆驱动子部件31、收帆驱动子部件32和防水密封盒33，所述张帆驱动子部件31和收帆驱动子部件32均具有驱动件312、与驱动件312一侧连接的卷盘311和与驱动件312另一侧连接的旋转编码器313。所述驱动件312可以为驱动电机、减速器等，旋转编码器313主要用于检测卷盘311的旋转运动信息，如转动角度等信息。所述卷盘311伸出防水密封盒33之外，所述驱动件312和旋转编码器313均位于所述防水密封盒33中，从而能实现防水保护，防止其受潮受损。

本发明实施例由所述驱动件312产生的动力带动卷盘311旋转，从而控制绳索执行收帆动作和张帆动作，及时实现帆船的张开、收拢和张紧控制。

在一实施例中，张帆驱动子部件31和收帆驱动子部件32均采用模块化设计思想，两个部件具有相同的设计参数，可以共用和互换。为了简单快速地进行零位检测，旋转编码器313可以选择绝对型旋转编码器，也可以借助传感器对旋转编码器313进行零位检测。张帆驱动子部件31和收帆驱动子部件32上的旋转编码器313所测得的卷盘转动角度值用于计算风帆4的张开尺寸、卷绕尺寸和风帆受风张紧状态下的形位尺寸。

在一实施例中，所述传动部件包括牵引件、设置在防水密封盒33外侧壁上的第一中继滑轮21、第二中继滑轮22、设置在船尾部的第二滑轮23和设置在船前部靠近桅杆5一侧的第三滑轮24。所述牵引件包括收帆牵引件和张帆牵引件。本实施例中，所述牵引件为绳索。所述绳索包括收帆绳索71和张帆绳索72。

本实施例中，所述风帆控制机构的传动路径可以分为两条。第一条传动路径中，张帆绳索72一端与风帆4的后缘连接，通过设置在船尾部的第二滑轮23、第一中继滑轮21，最后卷绕于张帆驱动子部件31的卷盘311之上。通过张帆驱动子部件31上的卷盘311的转动可收拢和释放张帆绳索72。第二条传动路径中，收帆绳索71一端卷绕于桅杆5的根部，通过设置在船前部的第三滑轮24、第二中继滑轮22，最后卷绕于收帆驱动子部件32上的卷盘311之上。通过收帆驱动子部件32上的卷盘311的转动可以收拢和释放收帆绳索71。

请参阅图2及图3，风帆4和收帆绳索71同时绕于桅杆5之上，但是两者的卷绕方向相反，比如风帆4在桅杆5上是顺时针卷绕，收帆绳索71在桅杆5上则是逆时针卷绕，反之亦然。风帆4和收帆绳索71绕于桅杆5之上的旋向正好相反，使得张帆动作和收帆动作成为互逆的动作，也使得张帆动作和收帆动作可以交替循环。

在一实施例中，所述桅杆5根部与帆船船体1之间装有桅杆安装轴承8（如推力轴承、角接触轴承等），如此可以承受轴向压力和侧向的弯矩，实现桅杆5绕固定轴转动。

本发明实施例中，所述张帆绳索72和收帆绳索71都采用高强度、低延展性的驱动绳索，如尼龙绳、细钢缆等。选用低延展性的驱动绳索，可忽略传递路径上的绳索出现的变形误差，使得旋转编码器313所测得的数值能更准确地反应风帆4的各控制参数的变化。在风帆传递路径上，所述各个滑轮的安装路径和滑轮的个数可以根据帆船的构造和主驱动部件3的安装位置来确定，本实施例中绳索传动路径的布置并非唯一。

本发明实施例中，如果张帆驱动子部件31上的卷盘311向收拢（或卷绕）张帆绳索72的方向转动，同时收帆驱动子部件32上的卷盘311向释放收帆绳索71的方向转动，此时风帆4被张开，桅杆5会随着风帆的张开而转动。在风帆4张开过程中，因为风帆4和收帆绳索71在桅杆5上的卷绕方向正好相反，所以收帆绳索71会卷绕于桅杆5上。如果张帆驱动子部件31上的卷盘311向收拢张帆绳索72的方向转动，同时收帆驱动子部件32上的卷盘311静止不动，此时风帆4将被张紧。如果收帆驱动子部件32上的卷盘311向收拢收帆绳索71的方向转动，同时张帆驱动子部件31上的卷盘311向释放张帆绳索72的方向转动，在收帆绳索71的拉力作用下，桅杆5将会转动，风帆4会被进一步卷绕于桅杆5之上，风帆4被收拢，此时收帆绳索71在桅杆5根部的卷绕圈数将会减少。如果收帆驱动子部件32上的卷盘311向收拢收帆绳索71的方向转动，同时张帆驱动子部件31上的卷盘311静止不动，此时风帆4将被张紧。如果张帆驱动子部件31上的卷盘311向释放张帆绳索72的方向转动，同时收帆驱动子部件32上的卷盘311向释放收帆绳索71的方向转动，风帆4将会被快速放松。如果张帆驱动子部件31上的卷盘311向卷绕张帆绳索72的方向转动，同时收帆驱动子部件32上的卷盘311向卷绕收帆绳索71的方向转动，风帆4将会被快速张紧。如此通过上述原理，实现帆船风帆的收拢、张开和张紧动作。风帆的张紧程度不可过大，以免破坏风帆。

请参阅图4，其描述了风帆的张开、收拢、张紧状态的控制参数。在图4中，风帆4后缘到桅杆5的尺寸L为风帆的张开尺寸，反映了风帆受风面积的大小；双点划线部分的长度L′为风帆的卷绕尺寸，反映了风帆帆面卷绕于桅杆5的收拢尺寸；风帆的张开尺寸L与卷绕尺寸L′之和为整个风帆的原始长度尺寸。风帆张紧状态下，风帆弦线与船体中线面（即帆船左右对称面）之间的投影夹角为风帆偏转角α，风帆曲面的最大吃水点为风帆弦深P。风帆偏转角和风帆弦深之间是相互影响的，刻画了风帆张紧状态下的形位尺寸。

本实施例中，张帆驱动子部件31的旋转编码器313检测张帆驱动子部件31的卷盘311的旋转角度，可用于估算风帆4的张开尺寸L；收帆驱动子部件32的旋转编码器313检测收帆驱动子部件32的卷盘311的旋转角度，用于估算风帆4在桅杆上的卷绕尺寸L′；使用收帆驱动子部件32的旋转编码器313的检测值和张帆驱动子部件31的旋转编码器313的检测值之间的相互关系，估算风帆受风后张紧状态的形位尺寸，即风帆偏转角α和风帆弦深P之间关系：α=f1(P)=f2(L，L′，w)；其中L为风帆张开尺寸，L′为风帆在桅杆上的卷绕尺寸，w代表风的因素，w可以是风速、风向等信息，这些参数都可以通过现有传感器测量获得。为了防止对风帆的破坏，亦可根据风帆张紧状态的形位尺寸α和P来限制风帆的最大张紧程度。

本发明风帆控制机构通过张帆驱动子部件和收帆驱动子部件能及时有效实现对风帆的收帆、张帆和张紧状态进行控制，而且能根据帆船航行的需求，接收控制指令及时自动控制调整和维持风帆帆面的受风面积，达到充分有效利用风能的目的。本发明风帆控制机构的主驱动部件均集中设置在船体上的防水密封盒中，方便安装和维护，同时能有效保护主驱动部件，防止受潮。

本发明通过风帆控制机构自动实现对风帆的收帆、张帆和张紧状态的控制，避免了人工操作控制风帆的不及时性、劳动强度大和容易出现安全隐患的问题。

实施例二：

本发明风帆控制机构的实施例二与上述实施例一基本相同，其不同之处在于，所述主驱动部件3进一步包括具有自锁功能的元器件（图中未示）。所述具有自锁功能的元器件可以为：如直流电机配上蜗轮蜗杆减速器或直流电机配上自锁行星减速器，再或者电机输出轴上加装抱闸。本实施例通过设置所述具有自锁功能的元器件，当主驱动部件3没有接收到外部控制指令时，张帆驱动子部件31和收帆驱动子部件32能分别保持静止，从而能达到准确及时地控制调整和维持风帆帆面的受风面积，达到有效利用风能的目的。

实施例三：

请参阅图1及图4，其为本发明实施例提供的一种帆船，包括船体1、固定在船体1上的桅杆5、一侧固定在桅杆5上的风帆4和风帆控制机构，所述风帆控制机构和上述实施例一、实施例二中的帆船风帆控制结构和控制原理基本相同，在此不再赘述。

在一实施例中，所述桅杆5根部与帆船船体1之间装有桅杆安装轴承8（如推力轴承、角接触轴承等），如此可以承受轴向压力和侧向的弯矩，实现桅杆5绕固定轴转动。

本发明实施例提供的帆船，能通过风帆控制机构及时实现对风帆的张紧状态控制，而且能根据帆船航行的需求，接收控制指令及时自动调整风帆帆面的受风面积，达到充分有效利用风能的目的。本发明帆船的风帆控制机构的主驱动部件均集中设置在船体上的防水密封盒中，方便安装和维护，同时能有效保护主驱动部件，防止受潮。

本发明提供的帆船能自动实现对风帆的收帆、张帆和张紧状态的控制，避免了人工操作控制风帆的不及时性、劳动强度大和容易出现安全隐患的问题。

实施例四：

其为本发明实施例提供的一种风帆控制方法，包括步骤：

接收控制指令并输出动力控制执行收帆动作或张帆动作；

检测张帆驱动子部件的卷盘的旋转角度，计算风帆张开尺寸L；

检测收帆驱动子部件的卷盘的旋转角度，计算风帆在桅杆上的卷绕尺寸L′；

在风帆张紧状态下计算整个风帆帆面的的原始尺寸为：L+L′；

通过收帆驱动子部件32的旋转编码器313的检测值和张帆驱动子部件31的旋转编码器313的检测值之间的相互关系，估算风帆受风后张紧状态的形位尺寸，即风帆偏转角α和风帆弦深P之间关系：α=f1(P)=f2(L，L′，w)；其中L为风帆张开尺寸，L′为风帆在桅杆上的卷绕尺寸，w代表风的因素，w可以是风速、风向等信息，这些参数都可以通过现有传感器测量获得。

本发明实施例所述风帆控制方法，能及时有效实现对风帆的收拢、张开和张紧状态的控制，而且能根据帆船航行的需求，接收控制指令及时自动调整控制和维持风帆帆面的受风面积，达到充分有效利用风能的目的。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种风帆控制机构，用于控制帆船风帆的收帆和张帆，其特征在于，包括主驱动部件，用于接收控制指令并输出动力控制执行收帆动作或张帆动作；

传动部件，与主驱动部件和风帆连接，用于将动力传递到风帆上执行收帆动作或张帆动作；

所述主驱动部件包括张帆驱动子部件和收帆驱动子部件，所述张帆驱动子部件和收帆驱动子部件均具有驱动件、与驱动件一侧连接的卷盘和与驱动件另一侧连接的旋转编码器。

2.根据权利要求1所述的风帆控制机构，其特征在于，所述主驱动部件还包括防水密封盒，所述驱动件和旋转编码器均位于所述防水密封盒中，所述卷盘伸出防水密封盒之外。

3.根据权利要求1或2所述的风帆控制机构，其特征在于，所述传动部件包括牵引件、第一中继滑轮、第二中继滑轮、设置在船尾部的第二滑轮和设置在靠近桅杆一侧的第三滑轮，所述牵引件包括收帆牵引件和张帆牵引件；

所述张帆牵引件一端与风帆的后缘连接，通过设置在船尾部的第二滑轮、第一中继滑轮，最后卷绕于张帆驱动子部件的卷盘之上；

收帆牵引件一端卷绕于桅杆的根部，通过设置在靠近桅杆一侧的第三滑轮、第二中继滑轮，最后卷绕于收帆驱动子部件上的卷盘之上。

4.根据权利要求3所述的风帆控制机构，其特征在于，所述风帆和收帆牵引件同时绕于桅杆之上，两者的卷绕方向相反。

5.根据权利要求3所述的风帆控制机构，其特征在于，所述牵引件为绳索。

6.根据权利要求3所述的风帆控制机构，其特征在于，所述主驱动部件进一步包括具有自锁功能的元器件。

7.根据权利要求6所述的风帆控制机构，其特征在于，所述具有自锁功能的元器件为蜗轮蜗杆减速器或自锁行星减速器。

8.一种风帆控制方法，其特征在于，包括步骤：

接收控制指令并输出动力控制执行收帆动作或张帆动作；

检测张帆驱动子部件的卷盘的旋转角度，计算风帆张开尺寸L；

检测收帆驱动子部件的卷盘的旋转角度，计算风帆在桅杆上的卷绕尺寸L′；

估算风帆受风后张紧状态的形位尺寸，即风帆偏转角α和风帆弦深P之间关系：α=f1(P)=f2(L，L′，w)；

其中L为风帆张开尺寸，L′为风帆在桅杆上的卷绕尺寸，w代表风的因素。

9.一种帆船，包括船体、固定在船体上的桅杆和一侧固定在桅杆上的风帆，

其特征在于，还包括如权利要求1～7任一项所述的风帆控制机构。

10.根据权利要求9所述的帆船，其特征在于，所述桅杆根部与帆船船体之间设有桅杆安装轴承。

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