CN105324303A - 用于海洋地理监测的自主帆船 - Google Patents

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Abstract

一种自主帆船船队，该自主帆船装备有用于报告环境和其他状况的监测和通信设备。为了最佳稳定性，该自主帆船是具有自扶正能力的多体船(双体船)。每个帆船通过一个或多个卫星链路来发送和接收信息，使用太阳能来为通信设备以及监测设备供电。每个帆船包括用于保持与风的期望的攻角的自动帆调校系统，以及当需要保持期望的前进方向时使用的电子推进装置。使用模块化设计来支持特定于任务的有效负载。

Description

用于海洋地理监测的自主帆船
本申请要求2012年3月27日提交的美国临时专利申请61/616,044的权益。
本发明的背景技术及发明内容
本发明涉及自主航海帆船领域，更具体地说，涉及一种低成本、高效并且坚固耐用的帆船，这种帆船包括用于监测和报告环境及其他状况的监测和通信设备。
背景技术
全世界的海洋大多在监测起来非常困难并且代价昂贵的区域中，一部分的原因是由于被海洋包围的区域的大小以及到达遥远区域所要求的时间和资源。据估计每天要花费约1到10万美元来在遥远区域(诸如南太平洋)中提供有人驾驶的监测船。因此，实际进行了非常少的海洋地理监测。类似地，航空勘察也是非常昂贵的，并且在每次飞行期间能够进行监测的范围和区域方面非常受限。有人驾驶的舰船或飞行器也受制于恶劣天气条件，这会限制可能进行监测的次数或者可能将监测人员置于风险增加的境地。卫星成像提供了与海洋表面及之上的状况有关的一些信息，但在海洋表面之下的情况中基本上是受限的。
存在对于提供更详细的海洋地理监测的增长的需求。例如，关注于对海洋生物有害的碳氢化合物及其他物质的增长的水平。在沿海地区，特别关注于从肥沃的土地流失的氮。对特定栖息地中的鱼类的监测可以提供对增加的死亡率或降低的出生率的早期警告。类似地，如果发生环境灾害(诸如海湾石油泄漏)，对灾难的影响程度的准确监测能够有助于救援和修复行动。
除了环境问题之外，在世界某些地区中海盗活动的增加以及经由海运的毒品走私的增加也是令人关注的。人工监视在范围和区域方面是受限的，并且在一些情况下，对于监视人员而言是危险的。
除了处理特定问题之外，对海洋地理状况的监测还可以增强我们预报风暴和海啸的能力，并且还可以通过向船只警告特别危险的状况来加强海事安全。在一些情况下，在一个区域中海上远程监测器的可用性可以加强在该区域中的搜索和营救行动。
提供用于增强海洋地理监测的可负担的装置将会是有益的。还将有益的是能够在所监测的地点不需要人员的情况下提供这种增强的海洋地理监测。还将有益的是在危险的状况下提供具有高存活可能性的可靠并且鲁棒的监测能力。
这些及其他益处可以由一种自主帆船船队来实现，这种自主帆船装备有用于报告环境及其他状况的监测和通信设备。为了最佳的稳定性和速度，该自主航行帆船是具有自动扶正能力的多体船(双体船)。每个帆船通过一个或多个卫星链路来发送和接收信息，使用太阳能来为通信设备以及监测设备供电。每个帆船包括：自动调帆系统，其用于保持与风向的期望的攻角(“迎角”)；以及电动推进器，其在有足够的电力可用时根据需要来使用。使用模块化设计来支持特定于任务的有效负载。
在一个示例性实施例中，所述帆船包括：彼此平行布置的并且通过桁架装置连接在一起的多个船体；翼帆结构，其可围绕与所述多个船体的平面垂直的第一旋转轴以及与所述船体平行的第二旋转轴进行旋转；以及自动扶正系统，其配置为当检测到所述帆船的倾覆时使翼帆结构围绕第二旋转轴进行旋转。
对倾覆的帆船的扶正可以通过以下操作来进行：使浮力桅杆结构围绕与水体表面平行的轴进行旋转，使得倾覆的帆船的浮力中心移至该倾覆的帆船的重心之外。
在另一个示例性实施例中，所述帆船包括：彼此平行布置的并且通过桁架装置连接在一起的多个船体；翼帆结构，其可围绕与所述多个船体的平面垂直的第一旋转轴进行旋转；以及自动调校系统，其控制翼帆结构围绕所述第一旋转轴的旋转。所述翼帆结构包括：翼帆，其提供升力来推动所述帆船前进；风向标，其以所述翼帆结构为枢轴转动以便始终与当前风向对准；以及连接杆，其控制翼帆结构的方位和风向标的方位之间的差。所述自动调校系统包括:凸轮，其附接到所述桁架装置并且连接到所述连接杆以基于桁架结构的方位来控制所述翼帆结构的方位和所述风向标的方位之间的所述差。
所述自调校可以通过以下操作来进行：将所述翼帆结构和所述风向标结构通过凸轮连接起来，该凸轮基于所述风向标结构指示的风向来控制翼帆的攻角。
附图说明
下面参照附图通过举例的方式来进一步详细地解释本发明，其中：
图1示出了通过卫星和因特网连接与用户通信的自主航行船队的示例性概念简图。
图2A-2B示出了依据本发明的方面的示例性自主帆船。
图3A-3I示出了具有自扶正能力的示例性自主帆船。
图4A-4E示出了具有自调校能力的示例性自主帆船。
图5示出了示例性自主帆船的通信和控制系统的示例性框图。
在所有附图中，相同的附图标记指示类似或相应的特征或功能。所包括的附图是为了解释说明的目的，而非旨在限制本发明的范围。
具体实施方式
在下面的说明书中，出于解释而非限制的目的，给出了诸如特定架构、接口、技术等具体细节，以便提供对本发明的概念的彻底理解。然而，本领域的技术人员应意识到的是，本发明可以在脱离这些具体细节的其它实施方式中实践。类似地，该说明书的文字是针对于附图中示出的示例性实施例的，但并非旨在限制所要求保护的发明超出权利要求中明确包括的限制。出于简要和清楚的目的，忽略了对公知的设备、电路以及方法的详细描述，以便不使本发明的描述与不必要的细节相混淆。
图1示出了通过卫星和因特网连接与用户通信的自主帆船船队的示例性概念简图。在一个典型的实施例中，船队的提供商将基于特定的客户针对特定于任务的监测任务的需求来配置舰船。该船队的移动由船队的提供商基于来自客户的指示来控制，并且对特定于任务的信息的收集可以至少部分地由客户来控制。
舰船110的船队被部署在待监测的区域，并且与监测和控制站150进行通信以便接收控制信息和发送监测和其它信息。典型地，舰船彼此间的通信将通过卫星通信系统120-130，虽然也可以使用其它形式的通信。例如，在靠近海岸的任务中，可以使用岸上蜂窝塔170，通过蜂窝网络来提供通信。
可选地，可以针对不同的应用使用不同的通信系统。例如，可以通过一个系统来传送导航信息，并且可以通过另一个系统来传送监测信息。
监测和控制系统150通过例如因特网140来将控制信息传送到船队并且从舰船接收反馈信息。其它监测系统160可以从舰船接收监测到的信息，并且可以可选地配置成控制特定的监测设备。
依据所使用的通信系统，这些消息将提供目的地信息。例如，如果使用因特网140，则这些消息将传送目的地URL地址或地址集合，用以将消息递送给卫星通信系统120-130和因特网140之间的因特网接口135。如果使用蜂窝网络。这些消息可以是定址(addressed)到一个或多个目的地的文本消息。
在命令通信系统的示例性实施例中，每个舰船可以具有一个各自的通信地址，并且该船队可以具有一个船队通信地址，从而允许将船队作为一个整体来进行控制以及控制船队中的单个舰船。该控制通常将以导航命令和监测命令的形式。这些命令的结构将取决于舰船110中提供的能力。例如，如果舰船110包括导航软件，则控制站150可以仅需要传送目标位置(例如，纬度、经度)，并且舰船110可以确定行驶方向以及以该方向行进的舰船命令(例如，方向舵控制)。在其它实施例中，控制站150可以传送行驶方向，并且舰船110确定舰船命令；或者，控制站150可以向每个舰船110传送舰船命令。命令结构可以范围从基本的舰船命令到最高支持的导航命令，从而允许控制站150处的操作员对船队以及船队中的单个舰船行使取决于情况的控制。
每个舰船优选地包括用于提供位置和跟踪信息的导航监测器，诸如提供舰船的当前位置以及行驶的速度和方向的GPS系统。这些信息通常将被传送给控制站150，以及由舰船内的控制系统使用以促进舰船控制。例如，可以使用跟踪信息来控制舰船的路径，以基于当前风况来实现朝着目标区域的最佳“沿计划航线上的航速”(VMG)，包括在不同的“抢风航行路线(tack)”上(相对于风的方向)行驶以实现在目标方向上的整体最佳速度(“抢风航行(tacking)”到目标)。
每个舰船还包括各种监测设备；在一些应用中，不同的舰船可以装备不同的监测设备。舰船的监测设备通常包括例如前述的GPS(全球定位系统)、惯性测量单元(IMU)、温度传感器以及风向和速度传感器，并且可以包括摄像机和船体速度传感器。
特定于任务的监测设备可以包括视频和红外摄像机、扫描仪、声学传感器和水听器、电导传感器、氧气及其他气体传感器、气压计、光流控水质传感器、碳氢化合物检测器、盖革(Geiger)计数器、盐度及pH传感器、压力传感器等。监测到的信息可以连续地、周期性地、在需要时、或者当被触发时传送给监测系统150、160。所述触发可以基于所监测到的值的改变、位置的改变等。如所提到的，可以将特定于任务的监测到的信息提供给一个或多个监测系统160，并且这些系统可以控制监测设备中的一些或全部。
值得注意的是，船队被部署为一个船队，一个区域内的测量可以从该区域内的不同位置处的舰船获得。这种多测量可以允许通过公共位置确定技术来确定检测到的物体的位置，诸如基于确定的范围、从不同的舰船检测到的物体的方向或方位进行三角测量。
还值得注意的是，虽然通常可以使用对给定目标区域内的舰船的相对自由的定位，但还可以使用其他部署方案，诸如对每个舰船的受控制的定位以确保目标区域内的每个点在至少一个舰船的监测范围内，或者以给定的模式对所有舰船进行定位，诸如警戒线，以确保检测到接近或跨越该警戒线的所有物体。本领域的技术人员将认识到的是，可以通过在限定的区域内来回行驶(抢风转变航向)来将舰船的位置控制在该区域之内，从而允许例如建立跨越进入特定航道的入口的警戒线，并且每个舰船具有沿着该警戒线分配的区域。
图2A-2B示出了依据本发明的方面的示例性自主帆船200。优选地，帆船200是相对较小和轻便的，以便在冲撞的情况下不会对其他舰船造成威胁。该示例性帆船200具有约8英尺的长度、约6英尺的横梁、以及约200磅的重量，并且装配有红、绿、白运行灯(未示出)以用于在夜间尤其在交通量大的区域中选择使用。
帆船200是双体船，其包括通过桁架结构240连接在一起的两个穿浪船体210，在桁架结构240上安装了具有可旋转帆翼结构220的桅杆(不可见)。桁架结构240还支撑龙骨230，龙骨230具有辅助推进设备235。船体210中的至少一个包括船舵215。
帆翼结构220包括：帆翼222、风向标225、以及平衡228，平衡228允许帆翼结构220在最小影响的情况下围绕桅杆旋转。在一个示例性实施例中，平衡228使得旋转部件的质心与旋转轴承的中心线以及帆翼的升力中心相重合。
帆船200包括位于桅杆顶部的通信和其它监测设备250，以及其中配置有附加设备的水密舱260。太阳能板223、245被安装在翼帆220和桁架240上，并且提供为推进设备235以及船载通信、控制及监测系统供电所需的能量。可选地，推进设备235可以配置为当帆船200扬帆航行时产生电力。
示例性帆船200包括4个舱室260；在典型的配置中，这些舱室中的一个包括导航和通信控制系统以及电池存储，并且其余3个舱室可用于特定于任务的负载系统。龙骨230还配置为包含用于进行表面和水下监测的监测设备(未示出)。船体210和桁架结构240还可以配置为依据特定的任务包含其他监测设备。
如图2B中所示，翼帆结构220和龙骨230可围绕桁架结构240上平行于船体210的轴242旋转。与翼帆结构围绕在桁架结构之上延伸的桅杆的旋转相对比，翼帆结构220在轴242上的旋转导致围绕平行于船体210的旋转轴的旋转，而翼帆结构220围绕桅杆的旋转导致围绕垂直于船体210的平面的轴的旋转。
在该示例性实施例中，翼帆结构220和龙骨230刚性地连接在一起，使得可以使用单个致动器(未示出)来使该组合围绕轴242进行旋转。可选地，可以使用双致动器来独立地控制翼帆结构220和龙骨230的旋转。
在该示例性实施例中，翼帆结构220和龙骨230布置的质心远高于在轴242的旋转中心。因此，可以放置可旋转的龙骨230，以通过使翼帆结构220朝着风旋转从而使帆船的重心朝着迎风面船体移动，降低迎风面船体抬离水面(使船体飞悬起来)的可能性，从而使帆船在大风条件下平稳。
在旋转结构220-230具有较低的质心的实施例中，翼帆结构220可以旋转避开风，以减小迎风的有效的帆面积，同样地降低迎风面船体抬离水面的可能性。
可旋转的龙骨还允许减少帆船200的吃水，从而允许帆船200在浅水中航行。可旋转的翼帆结构220允许帆船200可选地使翼帆倾斜以使其太阳能板223指向太阳，或者避免遮蔽桁架结构240上的太阳能板245。使翼帆结构220倾斜还降低观测到帆船220的能力，这可以有利于秘密任务。如下面进一步描述的，可旋转的翼帆结构220还使得能够在倾覆后扶正帆船200。
图3A-3I示出了示例性帆船200使用可旋转的翼帆结构220进行自扶正的能力。在这个示例中，翼帆结构220刚性地附接到龙骨230，使得单个致动器使这些元件220、230围绕轴242旋转。如上面提到的，可以提供翼帆结构220和龙骨230的独立旋转。
图3A示出了帆船200的稳定方位；在该方位中，帆船200的重心和浮力中心近似位于帆船200的中心。在图3B中，风301在翼帆上的力引入扭矩305,使得帆船倾斜(横倾)避开风,将左船体抬离水面并且使重心350稍微向右移动,同时浮心移至右船体220，导致在逆时针方向上的合扭矩365，用来抵抗风301的力，趋于使帆船恢复到图3A的稳定位置。
如果风301的力过强，帆船会进一步倾斜，重心350进一步向右移动，减小扭矩365。当由风造成的扭矩305超过扭矩365时，合扭矩将会在顺时针方向上，使得帆船倾覆，如图3C所示。由于翼帆222是有浮力的，典型的是密封中空的，因此倾覆的帆船200不会完全翻转。可选地，漂浮球(未示出)可以粘贴到翼帆222的顶部，这将进一步增加翼帆222的浮力。这种漂浮球还可以用以为桅杆顶部处的图2A的设备250提供水密环境。
遗憾的是，虽然帆船并未完全翻转，但图3C的倾覆的帆船处于稳定的位置，这是由于重心350再次与(右船体和翼帆222的顶部之间的)浮心360重合。帆船将无限期地保持在该位置，除非施加足够的逆时针扶正力/扭矩，以使得帆船脱离图3C的稳定位置并进入图3A的稳定位置。
如上面所提到的，帆船200包括可旋转的翼帆222和龙骨230。在检测到倾覆时，电动机被启用以旋转翼帆；在这种情况下，期望的旋转310是在顺时针方向上，如图3D中所示。由于翼帆222是在顺时针方向上围绕轴242旋转的，因此该旋转尝试使翼帆222进一步下沉到水中。由于翼帆222的浮力，使翼帆222进一步下沉到水中的该尝试使得浮心360向右移动，从而引入扶正扭矩370，如图3E中所示。翼帆222的这种旋转还使得重心350向左移动，从而进一步增加了扶正扭矩。
取决于帆船的翼帆222以及其他元件的结构布置，翼帆222还可以围绕与帆船的桅杆相重合的旋转轴旋转到“中立”位置，以避免由于翼帆222围绕轴242旋转而损坏。
如图3F-3G中所示，随着翼帆222和龙骨230围绕轴242进一步顺时针旋转310，帆船进一步逆时针旋转，浮心360进一步向右移动，并且重心350进一步向左移动，从而增加扭矩370。
在某一时刻，如图3G所示，持续的逆时针旋转310使得帆船的重心350进一步移向浮心360的左侧，从而进一步增加了逆时针扭矩370。当该扭矩370足以克服风301在帆船底面上的力时，帆船将继续逆时针旋转，直到左船体到达表面，如图3H中所示。在该位置上，帆船的重心和浮心大体上对齐，并且翼帆222的倾斜使得向风呈现出减小的有效表面积，从而降低了再次倾覆的可能性。
当风平息时，翼帆结构220和龙骨230可以以逆时针方向315旋转，使帆船返回到图3I的稳定方位，这也是图3A的最初稳定方位的方位。从而，通过在倾覆之后使翼帆结构220围绕轴242进行旋转，帆船200将自扶正。
前述的帆船200的控制系统配置为监测帆船200的垂直方位(横倾角)，并且当检测到倾覆时，发起翼帆结构220和龙骨230的旋转。可选地，可以当横倾角超过给定的阈值角度时发起翼帆结构220和龙骨230的旋转，以减小翼帆呈现给风的有效表面积，并且将重心朝着迎风面船体移动(假定可旋转的组件的CG在旋转中心242之上)，从而降低风的横倾效果，并且降低倾覆的可能性。
示例性自主帆船200还包括基于相对于帆船的航向的风向来自主调整帆调校的能力。如在航海领域已知的，为了达到最佳速度，调校/调整帆以向风呈现最优的攻角，以使升力(由风施加在帆上的向前的力)最大化。随着风向相对于帆船的航向的改变，应当调校帆以适应风向上的这种改变。类似地，当帆船改变其航线时，风相对于新航向的方向也改变，从而应当调校帆以适应航线的这种改变。
虽然帆船可以配置为允许手动/远程帆调校，但自调校能力大幅降低控制复杂度，并且如果自调校能力纯粹是机械式的，则大幅降低了提供适当的帆调校所需要的能量。在自主帆船200的优选实施例中，通过控制船舵使帆船朝向期望的方向来控制航向，并且在期望的方向上推进帆船所要求的帆调校是自动控制的。如果在当前航线方向和当前风况下帆无法达到足够的升力，则可以激活辅助推进系统235，或者可以改变该航线方向以提供更多有效的相对风向(通常称为沿着交替的航线方向“抢风转变航向”以达到期望的航向)。
图4A-4E使用从上面观看帆船200的视图示出了用于示例性帆船200的示例性自动帆调校配置。翼帆结构220包括翼帆222、风向标225以及平衡臂228。翼帆结构220围绕桅杆410自由地旋转，桅杆410刚性地连接到船体210之间的桁架440。在这个示例中，为了便于说明，桁架440被示出为船体210之间的单个横梁。如图2A所示，实际的桁架结构240可以包括支撑如太阳能板245之类的物体的多个桁架。
在本公开内容中，为了便于引用，术语帆船的“航向”和帆船的“方位”(即，帆船所指向的方向)可互换地使用，这是因为除了潜在的漂流之外，当帆船向前航行时，帆船的航向通常是由帆船的方位确定的。
另外，为了便于引用和理解，本文中不在“实际的风”和“显现的风”之间进行区分。如本领域已知的，对于移动的帆船上的观察者或者该帆船上的物体(诸如翼帆)而言，显现的风是实际的风和帆船的速度的组合。例如，如果帆船以4海里每小时直接向着5海里每小时的风航行，则显现的风为来自帆船前方的9海里每小时。如果帆船顺着来自船后面的5海里每小时的风以4海里每小时航行，则显现的风为来自船后面的1海里每小时。如果帆船以与风成非0角度航行，则显现的风将是风速和船速之间的向量差。由风吹过翼帆的表面所产生的力取决于显现的风；在本公开内容中，术语相对风向或者相对于帆船航行的方位或方向的风向可以被认为是显现的风向。
在图4A的示例中，帆船200的航向450直接朝向风向460(风向460的反向)，诸如这可以发生在帆船200由辅助推进装置(图2A中的235)来推进时。在这种状态下，与风的攻角为0，风将均匀吹在翼帆222和风向标225的两侧，造成翼帆222的“中立”或“0升力”状态，该状态不向帆船200提供升力。
如果翼帆结构220稍微地随风偏移，则在翼帆222上产生压力梯度，其产生朝向翼帆的“下风”或背风侧的力，如下面进一步详述的。如图4A中所示，如果帆船200的航向450是向着风向460，则通过翼帆222随风向460的偏移引发的力将会发挥影响，使得将帆船200向后推，导致抵抗船载期望的航向450上移动的阻力。
为了产生将帆船200向前推进的升力，帆船200必须在与风成一定角度的方向上转向，并且必须对帆进行调校以从风跨越其表面的流动产生这种升力。典型地，当相对风向大于最小抢风航行角(tackingangle)时，帆船能够向前航行，该最小抢风航行角基于帆船的设计而不同，并且通常约为40-50°。如上面提到的，在低于最小抢风航行角的角度时，向着风的情况下，所产生的压力梯度与船的航向相反，从而在帆船的向后方向上产生力分量。在大于最小抢风航行角的角度的情况下，风吹到翼帆222的左侧和右侧中的差别产生了具有在帆船的前进方向上的分量的力，如下面进一步详述的。
图4B示出了在与风向460成角度的方向455上航行的帆船200。如由虚线462、464示出的，当风接近翼帆222的前边缘时，风被转向到翼帆222的左侧和右侧。在该示例中，翼帆222的右侧(背风侧)上的风464绕着翼帆222的前边缘弯曲，并且沿着翼帆222的背风侧表面朝着翼帆222的尾部行进。翼帆222的左侧(迎风侧)上的风462沿着翼帆222的迎风侧表面朝着翼帆的尾部行进。在迎风侧表面上产生的压力大于在背风侧表面上产生的压力，导致了从迎风侧表面朝着背风侧表面的方向上的力。
在图4B的示例中，从翼帆222的迎风侧表面朝着背风侧表面的方向上的力近似由箭头480表示。相对于帆船200，力480具有将帆船200推向一侧的分量480a，以及将帆船200向前推的分量480b。位于水中的龙骨230抵抗帆船200向一侧的移动，并且其形状被塑造成将力480a的至少一些转换成向前的推力。风在翼帆222的通过的总体结果是：来自于风480的力的向前分量480b和由船体210对侧向分量480a的转换的帆船200在航向455中的向前推力，以及帆船在背风侧方向上的侧向推力的余量(“偏航”)。通常通过方向舵角度上的微小改变以使帆船200稍微略朝向于风来纠正这种偏航。
如上面提到的，翼帆222所朝向的相对于风向460的角度(攻角)决定了能够从给定的风速和风向产生的升力的量。例如，在图4B中，如果翼帆222在逆时针方向上围绕桅杆410旋转，减小了攻角并且使翼帆的朝向更加直接地与风向460一致，则转向到翼帆222的两侧的风将更加均匀，从而降低了翼帆222的背风侧和迎风侧表面之间的压力梯度。相反地，如果图4B的翼帆222在另一顺时针方向上围绕桅杆210旋转，增加了攻角，则背风侧风464可能无法顺着翼帆222的前边缘的曲率绕道背风侧表面，造成失速，并且在背风侧表面将不会实现平滑的气流，从而降低了背风侧和迎风侧表面之间的压力梯度。
理想的攻角还根据帆船220相对于风向460的航向455而变化。在“前舷侧风行驶”时，航向455接近于最小抢风航行角(“迎风而行”)，较窄的攻角提供更好的升力；在“正横风行驶”时，风向455与风向接近直角(“正横的”)，当在背风侧平面上保持平滑的气流时能够提供较宽的攻角；以及在“后舷风行驶”时，航向455相对于风向460约成135°，能够支持更加宽的攻角。较宽的攻角通常具有增加由风吹过翼帆222的背风侧表面产生的力的向前分量480a的效果；典型地，依据帆船的特定设计，当以横风行驶或后舷风行驶时，帆船达到最大速度。
针对相对于航向的给定风向或船相对于风向(“相对风向”)的方位的理想攻角最初是由翼帆222的前边缘的形状和背风侧表面的形状决定的。因此，在给定的翼帆222的特定形状的情况下，如果能够确定相对风向，则可以将翼帆222设定到针对该相对风向的相应的理想攻角。
示例性帆船200的风向标225有助于确定相对于帆船的航向455的风向460。风向标225以翼帆结构220为轴以最小转动摩擦力进行转动。因此，风向标225将始终使其自身与风向460对准，而不管翼帆结构220的方位如何。随着风向标225和翼帆结构220之间的角度430增大和减小，连接杆435将这种转动转换成相对于桁架440的实质的横向移动，并且相应地将基于翼帆结构220相对于方向460的角度430来提供相对于帆船200的朝向的横向移动。
替代而言，从控制的观点看：连接杆435相对于桁架440的横向移动将控制风向标225相对于翼帆结构220的旋转。由于风向标225始终与风向460对准，因此控制风向标225相对于翼帆结构220的旋转有效地对翼帆结构220相对于风向460进行控制。也即是说，连接杆435的横向控制影响对翼帆222与风向460的攻角的控制。
在攻角的手动/远程控制中，可以对诸如电磁活塞之类的电致动器进行调节，以通过横向移动连接杆235来控制攻角。典型地，当监测帆船220的速度时将会调节攻角，并且优选的攻角被设置在提供最大速度的角度。
根据本发明的一个方面，帆船200配置为针对给定的相对风向自动地控制攻角。例如，前述的电致动器可以受计算机控制以达到最大速度(如在手动/远程控制中)，或者可以基于确定的相对风向，例如使用针对各种相对风向的致动器设定表，而被设置成前述的“理想”攻角。
然而，如上面提到的，对帆调校进行电子控制以达到期望的攻角消耗电量，而对帆调校进行机械控制则不消耗电量。此外，机械控制可以对风的瞬间变化响应最敏感的，这是由于反馈环路本身为控制杆435。依据本发明的另外方面，连接杆435与桁架440的连接机械地使连接杆435相对于桁架440的横向位置随着航向455(以及相应地，帆船200的相对方位)相对于风向460的改变该变化。
图4C示出了固定地附接到桁架440并从而固定地附接到帆船200的凸轮470。连接杆435包括坐落在凸轮槽471中的一个柱，并且凸轮槽471成形为产生连接杆435随着桁架440横向移动并且附接的凸轮470相对于翼帆结构220进行旋转的效果；或者，替代而言，产生连接杆435随着翼帆结构220相对于帆船200的朝向转动而进行横向移动的效果。也就是说，如果帆船200的朝向由于航线改变而变化，或者如果风向460的改变造成翼帆结构220的朝向相对于帆船220的朝向改变，则凸轮470将产生对于连接杆435的相应的横向改变，从而基于风向460相对于帆船200的航向的变化而改变翼帆222的攻角(为了说明清楚，图4C-4E中未示出)。
如上面提到的，可以针对给定的相对风向和给定的翼帆222的形状来确定理想的攻角。因此，凸轮槽471可以被创造为产生横向变化以达到针对所有相对风向的理想攻角的效果。也就是说，凸轮的形状是控制算法的机械体现。
图4C示出了当帆船200和翼帆结构220相对于风向而位于“中立”位置时的具有凸轮槽471的示例性凸轮470，其中，翼帆222和风向标225与风向460对准。可以看出，随着凸轮470通过刚性地附接的桁架440的旋转(即，帆船相对于中立位置的朝向改变到风向460)进行顺时针或逆时针地旋转,凸轮槽471将引入连接杆435的基本上线性的横向移动。
如图4D中所示，凸轮470的顺时针旋转将迫使连接杆435朝着凸轮470的中心行进(如由箭头478指示的)，使得风向标225在逆时针方向上围绕其在翼帆结构220上的枢轴425旋转。由于以最小旋转阻力，风向标225将始终使其对准风向，因此风向标225相对于翼帆结构220的这种逆时针旋转将使翼帆222在顺时针方向上相对于风向462偏移，从而引入将翼帆222的右表面放置在风462的背风侧的攻角，类似于图4B中示出的翼帆结构220相对于帆船200的方位。这种翼帆222的右表面在风462的背风侧的方位引入具有相对于帆船200的向前分量和向右的偏航分量的升力。
如图4E中所示，凸轮470的逆时针旋转将迫使连接杆435远离凸轮470的中心行进(如由箭头479指示的)，引入风向标225围绕其在翼帆结构220上的枢轴425的顺时针旋转。这种顺时针旋转引入翼帆222相对于风向464的逆时针旋转，从而引入将翼帆222的左表面放置在风的背风侧的翼帆222的攻角。这种翼帆222的左表面在风的背风侧的方位引入具有相对于帆船200的向前分量和向左的偏航分量的升力。
由凸轮槽471提供的横向梯度决定了随着凸轮470(或帆船200)相对于风向的转动而提供的攻角。如图4D和4E中示出的，由于图4E中凸轮470的逆时针旋转大于图4D中凸轮470的顺时针旋转，因此图4E的攻角大于图4D的攻角。也就是说，基于凸轮470的旋转的攻角依据旋转的角度而变化，从而允许攻角由凸轮槽471来控制，以便达到针对所有相对风向的理想攻角。
又如图4E中的凸轮槽471的形状所示，凸轮470的进一步逆时针旋转超过示出的方位将导致连接杆435的横向位置中的非常轻微的改变，与延伸跨越相对风向的较宽范围的理想攻角相一致。在某个点，凸轮470的进一步逆时针旋转将造成将连接杆435朝着凸轮470的中心拉拽，从而减小攻角。
随着相对风向进一步增加，航向与风向一致(“顺风”航向)，翼帆结构220继续旋转，使翼帆222朝着桁架440放置。最终，翼帆结构220可以对准来自帆船200的尾部的风向。这种对准将不会导致压力差，并且不会相应地导致升力。如在航海领域已知的，直接顺风航行不是有效的帆点，即使帆表面垂直朝向风，在交替的航线上以不是直接顺风的方向航行(抢风航行)通常会提供到顺风目标的更快路线。因此，在本发明的实施例中，导航控制系统可以配置为避免极端的顺风航行，从而避免翼帆222的朝向与来自帆船200的尾部的风向一致。
替代地，凸轮槽471可以成形为提供“不连续性”，使得当顺风航行时翼帆结构220被限制到最小攻角(正或负)。在正常地提供正和负最小角度之间的攻角的风向时，凸轮的状态是“不稳定的”，使得连接杆235位于产生正或负最小攻角的位置(“帆向改变”到一个或其他抢风航行路线)。以这种方式，翼帆总是将一些阻力呈现给来自帆船200后面的风，造成向前的推进力。
虽然使用上面描述的机械式自调校系统优选地用于降低能耗，但还可以提供电动机来允许根据需要来直接控制翼帆结构220的旋转。如上面提到的，例如，在发起自扶正过程之前，针对于围绕桅杆410的旋转，可能需要将翼帆结构220放置在“中立”位置，以避免干扰帆船的其他元件随着翼帆结构220围绕轴242旋转，并且可以使用电动机来提供围绕桅杆410的受控旋转。
可选地，如果提供电动机来使翼帆结构220围绕桅杆410旋转，则可以使用该电动机来提供其他特征。例如，该电动机也可以配置为充当发电机。当在机械式自调校模式中时，风的变化，或者攻角随着帆船驶过波浪而产生的变化将导致翼帆结构220围绕桅杆410的随机波动。如果电动机被配置为发电机，则围绕桅杆410的这些波动将产生能够被使用或储存的电力。另外，由于发电机引入与其负载成比例的惯性阻力，因此可以控制该负载以便引入针对波动的期望的阻尼量，以提供更加稳定的航行并且减少由过度的波动导致的磨损。
在任何情况下，不考虑相对风向和提供的攻角，帆船200的导航控制系统优选地配置为在确定帆船200没有朝着目标区域进行足够的行进或者超出其指定的监视区域航行时，激活辅助推进系统235。在此期间，可以使用前述的随着翼帆结构220围绕桅杆410波动而产生电力的发电机来补充辅助推进系统235消耗的一些能量并且抑制波动，尤其是在风是多边的或者海面不平静的时候。
图5示出了示例性自主帆船的通信、控制和监测系统的示例性框图。
控制计算机510主要协调帆船上的设备的操作，虽然其中的一些设备可以自主地或半自主地进行操作。例如，在一些实施例中，所有的外部通信是由计算机510控制的，而在另一些实施例中，设备直接向各个通信设备发送消息以及从各个通信设备接收消息。类似地，由控制计算机510实行的对特定于任务的监测的负载的交互和控制的程度可以根据特定的任务和/或特定类型监测而不同。
虽然示出为单个方框，但控制计算机510可以包括多个处理系统，其中例如包括用于故障安全操作的冗余系统和/或针对特定的任务(诸如导航)定制的嵌入式系统。在船载设备的上下文中可以最好地理解控制计算机510的操作，其中，计算机510与船载设备如下地进行交互。
用于自主帆船的一件基本的设备是从多个卫星接收消息的GPS接收机515，其中，依据该消息来确定接收机515的纬度和经度(从而确定帆船的位置)。依据GPS接收机515的能力，还可以提供诸如航速及航向之类的其他信息；或者，诸如控制计算机510之类的另一元件可以根据随时间报告的位置来确定航速和航向。该信息是在通信总线501上提供的，以便由该总线501上的任何设备来使用。如上面提到的，控制计算机510可以使用帆船的当前位置来确定到目标区域的路线，可以使用航速和航向信息来调校方向舵以补偿漂流，等等。位置信息还可以被包括在从卫星发送的每个监测消息中。
用于自主帆船的另一件基础设备是用于报告监测到的信息的通信设备。在图5的示例中,提供了多个卫星通信设备520、525，但可以提供更少或更多的通信设备。示例性卫星通信(Satcom)收发机520是诸如铱星收发机之类的传统卫星消息系统。收发机520接收定址到帆船的消息并在总线501上提供这些消息。特定的帆船可以具有多个地址，诸如用于接收帆船相关的消息(例如，导航消息)的地址和用于接收负载相关的消息(例如，监测器控制消息)的另一地址；替代地，所有消息可以定制到单个地址，并且可以建立用于区分所接收到的消息的消息协议。在一些配置中，向卫星组分配一个公共地址用于接收“船队”或“子船队”相关的通信。控制计算机510可以配置为接收和处理用于向特定设备传送具体信息的消息，和/或这些设备中的一些可以配置为直接地接收和处理特定消息。
以类似方式，可以通过收发机520从帆船发送消息。这些消息可以由控制计算机510基于从帆船上的设备接收的信息进行格式化，或者一些设备可以配置为直接向收发机520提供消息。这些消息可以定址到公共地址，依靠该地址处的接收机将消息路由到适当的接收方，和/或可以使用不同的地址来直接地将特定的消息传送到特定的接收方。
使用商业卫星通信系统来发送和接收消息的能力在消息的形式和内容上提供了很大的灵活性。可以针对这些通信定义定制的格式，例如使用HTML方案。在一些实施例中，可以使用定制的格式和标准格式的混合。例如，国家海洋电子协会(NMEA)提供了协议标准NMEA2000，其用于在海用设备之间传送导航、控制、监测以及其他信息。例如，控制计算机510可以配置为通过收发机520向岸上监测器和控制站(图1的150)发送以及从其接收NMEA格式化的消息。
然而，通过使用传统卫星消息系统而提供的灵活性可能要求大量使用帆船上的资源，并且可能会招致显著的货币成本用于访问该服务。特别值得注意的是，在能够发送或接收每个消息之前，必须与卫星建立同步链路，并且在该消息的持续时间内必须维护该链路。此外，船队中的每个帆船与其它帆船彼此竞争卫星信道用于建立同步链路。这些消息的创建、发送、接收和解码要消耗电能，并且在电子推进系统启动后可能是帆船上的电能的最大消耗者。
可选地，可以使用低功率、有限能力的卫星通信系统用于传送日常信息。例如，传感器启用通知系统(SENS)专门设计用于高效地传送监测到的信息。在图5的示例中，SENS发射机(或SENS收发机)525用于传送监测到的信息中的一些，从而通过较高功耗收发机520卸载传送这些信息的任务。
SENS发射机525周期性地和/或当触发报告事件时发送相对较短的消息(约80字节)。这些消息通常包括发射机525的标识符、当前GPS位置以及从一个或多个传感器/监测器报告的参数值。SENS发射机525自主地广播每个消息，而无需建立与卫星系统的同步链路，从而节省了卫星通信通常所需要的大量时间和能量。由于SENS消息使用固定的格式，因此可以对这些消息的创建进行优化，从而减少每个消息耗费的时间和资源。
在一个示例性实施例中，SENS发射机525可以用作位置和传感器数据的主要来源，并且仅当情况需要时才使用卫星通信收发机520。例如，卫星通信收发机520可以用于接收往目标区域航行的命令，并且通过SENS收发机525来发送由正在去往目标区域的途中的帆船发送的所有消息。以类似方式，当在目标区域中时，通过SENS发射机525发送周期性位置和传感器消息，并且当特定事件发生时，可以通过卫星通信收发机520传送来自其他监测器的信息。
也可以使用其他通信系统替代卫星通信收发机520。例如，当沿着海岸或在内陆航道上航行时，可以使用蜂窝电话收发机或WiFi收发机530。在一些实施例中，使用WiFi收发机530来讲计算机510连接到网络以用于在进行部署之前接收配置和其他信息和/或用于在每次部署之前测试帆船上的设备。鉴于本公开内容，用于与帆船上的设备进行通信的其他装置对本领域的技术人员而言是显而易见的。
图5还示出了用于控制帆船的公知设备535-555。另外或替代地，这些设备对本领域的技术人员而言是显而易见的。
辅助推进设备535主要在翼帆无法实现向着目标区域的足够进展、无法在分配的区域中保持位置、或者当需要“独立于天气”的控制(诸如在交通量大的区域中)时，提供向前和向后的推进力。
提供运行灯540主要用于交通量大的区域中，并且运行灯540包括一组红、绿和白色运行灯。
提供各种舰船有关的监测器545用于确定帆船的状态及其环境。这些监测器545例如可以包括风向和风速监测器、过水速度变换器、电压和电流监测器、惯性监测器、翼帆方位监测器、方向舵方位监测器、横倾角监测器、罗盘指向监测器等等。
方向舵控制系统550控制方向舵的方位以保持给定的航线、改变航线、纠正漂流等等。
扶正致动系统555包括实现上述自扶正能力所需要的致动器。该致动器由来自控制计算机510的命令来控制，或者系统555可以包括用以基于报告的或确定的横倾角来自主地执行上述扶正和横倾纠正操作的必要电子设备。
可选地，可以提供外部接口560，主要用于在部署期间和在每次补助之前及之后配置和测试设备。
如上面提到的，帆船旨在运送特定于任务的负载设备570到目标区域；这种负载设备570通常包括监测设备(诸如摄像机、变换器等)的集合，但还可以部署其他类型的设备。例如，可以提供扬声器系统用于在特定情况下发布公告，诸如当在受限区域附近检测到舰船；还可以提供麦克风系统用于双向声音通信。
为了将负载系统集成到帆船控制系统中，提供了负载接口565。该接口可以用于传送从收发机520接收的任何监测命令、传送监测到的信息到控制计算机510，或直接到收发机520、525。
为了给帆船上的各种设备提供功率，功率调节和控制系统560从各种源接收功率，并且将需要的功率提供给帆船的每个设备。没有示出的是，图2A的帆船200的每个舱室260是预接线的，以提供对来自系统560的功率的接入，以及对数据总线501或其他船载网络的接入。在一些实施例中，使用优先级方案来假定在需要时为关键设备提供功率。例如，如果可用功率减少，可以禁用一些设备，而诸如方向舵控制及扶正致动系统之类的关键设备仍然保持启用。
功率控制系统560从安装在帆船上的太阳能板585接收能量，并且电池系统590存储这些能量中的一些以在太阳能板585无法产生电力时提供功率。可选地，电子推进设备(图2A的235)可以配置为包括当翼帆推进帆船时产生电力的发电机。优选地，电子推进系统当帆船以低速航行时提供最小阻力，并且仅当产生的升力足以支持发电机负载并同时仍保持给定的最小速度时才提供发电机负载。
前述内容仅解释说明了本发明的原理。因而，应当意识到的是，虽然本文未明显地描述或示出，但本领域的技术人员将能够制定出体现本发明的原理的各种布置方式，并因而这些各种布置方式在本发明的精神和方位之内。例如，虽然帆船被设计为在与较大舰船冲撞中幸存，但该帆船可以配置为包括AIS(自动识别系统)接收机，该AIS接收机接收由商用舰船以及装配有AIS收发机的其他舰船发送的位置信息。为了避免冲撞，控制计算机510可以配置为基于接收到的AIS信息临时调整航向。鉴于本公开内容，这些以及其他系统配置和优选特征将对本领域普通技术人员而言是显而易见的，并且被包括在下面的权利要求的范围之内。
在解释这些权利要求时，应当理解的是：
a)词语“包括”不排除给定的权利要求中存在列出的要素之外的其他要素或动作；
b)在要素之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的要素；
c)权利要求中的任何引用标记不限制其范围；
d)若干“单元”可以由相同的项目或硬件或软件实现的功能结构来代表；
e)所公开的要素中的每一个要素可以由硬件部分(例如，包括分立的和集成的电子电路)和软件部分(例如，计算机程序)的组合来构成。
f)硬件部分可以包括处理器，并且软件部分可以被存储在非暂时性计算机可读介质上并且可以配置为使得所述处理器执行所公开的要素中的一个或多个要素的功能的一些或全部；
g)硬件部分可以由逻辑部分和数字部分中的一者或两者组成；
h)除非明确声明，否则所公开的设备中的任何设备或其部分可以组合在一起或者分离成另外的部分；
i)除非明确指示，否则并不旨在要求动作的特定顺序；以及
j)术语“多个”要素包括所主张的要素的两个或更多个，并且并不暗指任何特定数量范围的要素；换言之，多个要素可以是正好是两个要素，并且可以包括不可计量数目的要素。

Claims (30)

1.一种帆船，包括：
多个船体，所述多个船体彼此平行地布置并且通过桁架装置连接在一起；
翼帆结构，其可围绕与所述船体的平面垂直的第一旋转轴以及与所述船体平行的第二旋转轴进行旋转；以及
自动扶正系统，其配置为当检测到所述帆船的倾覆时使所述翼帆结构围绕所述第二旋转轴进行旋转。
2.根据权利要求1所述的帆船，其中，所述翼帆结构包括：浮力部件，其用以当所述自动扶正系统旋转所述翼帆结构时促进所述帆船的扶正。
3.根据权利要求2所述的帆船，其中，所述浮力部件包括翼帆。
4.根据权利要求3所述的帆船，其中，所述浮力部件包括在所述翼帆之上的漂浮球。
5.根据权利要求1所述的帆船，包括：龙骨，其可围绕平行于所述船体的龙骨旋转轴进行旋转。
6.根据权利要求5所述的帆船，其中，所述龙骨固定地附接到所述翼帆结构，并且所述龙骨旋转轴对应于所述第二旋转轴。
7.根据权利要求1所述的帆船，包括：控制系统，其检测是否发生倾覆，并且当检测到所述倾覆时激活所述自动扶正系统。
8.根据权利要求7所述的帆船，其中，所述控制系统检测横倾角，并且在检测到所述倾覆之前，基于所检测到的横倾角来激活所述自动扶正系统。
9.根据权利要求1所述的帆船，包括：一个或多个太阳能板，其提供启用所述自动扶正系统所需要的能量。
10.根据权利要求1所述的帆船，包括方向舵和导航控制系统，所述导航控制系统控制所述方向舵的方位以创建所述帆船朝着目标区域的航向。
11.根据权利要求1所述的帆船，其中，所述翼帆结构包括提供升力以向前推进所述帆船的翼帆。
12.根据权利要求11所述的帆船，其中，所述翼帆结构包括风向标，所述风向标以所述翼帆结构为枢轴转动以便始终对准当前风向。
13.根据权利要求12所述的帆船，其中，所述翼帆结构包括平衡部件，所述平衡部件促进所述翼帆结构围绕所述第一旋转轴的旋转。
14.根据权利要求12所述的帆船，包括：连接杆，其控制所述翼帆结构的方位和所述风向标的方位之间的差。
15.根据权利要求14所述的帆船，其中，所述桁架结构包括凸轮，所述凸轮连接到所述连接杆以基于所述桁架结构的方位来控制所述翼帆结构的方位和所述风向标的方位之间的所述差。
16.根据权利要求15所述的帆船，其中，所述凸轮包括凸轮槽，所述凸轮槽成形为基于所述桁架结构的方位来提供所述翼帆的期望的攻角。
17.根据权利要求1所述的帆船，包括：一个或多个水密舱，用于安装监测设备。
18.根据权利要求17所述的帆船，包括：一个或多个通信系统，用于将来自所述监测设备的信息传送给远程监测站。
19.根据权利要求18所述的帆船，其中，所述一个或多个通信系统包括卫星收发机。
20.根据权利要求19所述的帆船，其中，所述一个或多个通信系统包括SENS收发机。
21.根据权利要求1所述的帆船，包括：电动机，其控制所述翼帆结构围绕所述第一旋转轴的旋转。
22.根据权利要求21所述的帆船，其中，所述电动机可以配置作为发电机，所述发电机随着所述翼帆结构围绕所述第一旋转轴波动而产生能量。
23.一种帆船，包括：
多个船体，所述多个船体彼此平行地布置并且通过桁架装置连接在一起；
翼帆结构，其可围绕与所述船体的平面垂直的第一旋转轴进行旋转；以及
自动调校系统，其控制所述翼帆结构围绕所述第一旋转轴的旋转；
其中：
所述翼帆结构包括：
翼帆，其提供升力以向前推进所述帆船；
风向标，其以所述翼帆结构为枢轴转动以便始终对准当前风向；以及
连接杆，其控制所述翼帆结构的方位和所述风向标的方位之间的差；并且
所述自动调校系统包括凸轮，所述凸轮附接到所述桁架装置并且连接到所述连接杆以基于所述桁架结构的方位来控制所述翼帆结构的方位和所述风向标的方位之间的所述差。
24.根据权利要求23所述的帆船，其中，所述翼帆结构包括平衡部件，所述平衡部件促进所述翼帆结构围绕所述第一旋转轴的旋转。
25.根据权利要求23所述的帆船，其中，所述凸轮包括凸轮槽，所述凸轮槽成形为基于所述桁架结构的方位来提供所述翼帆的期望的攻角。
26.根据权利要求23所述的帆船，包括：电动机，其控制所述翼帆结构围绕所述第一旋转轴的旋转。
27.根据权利要求34所述的帆船，其中，所述电动机可以配置作为发电机，所述发电机随着所述翼帆结构围绕所述第一旋转轴波动而产生能量。
28.一种在水体中扶正倾覆的帆船的方法，包括：使浮力桅杆结构围绕与所述水体的表面平行的轴进行旋转，以便使得所述倾覆的帆船的浮心远离所述倾覆的帆船的重心，从而引入扶正扭矩。
29.一种使帆船自调校的方法，包括：
提供翼帆结构，所述翼帆结构以给定的攻角为所述帆船提供升力；
提供风向标结构，所述风向标结构指示相对于所述帆船的风向；
通过凸轮将所述翼帆结构和所述风向标结构相连接，所述凸轮基于由所述风向标结构指示的风向来控制所述翼帆的所述攻角。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述凸轮刚性地固定到所述帆船，使得所述凸轮的相对方位与所述帆船的朝向一致，并且所述凸轮连接到所述风向标结构，使得所述风向标结构的旋转导致所述翼帆结构相对于所述帆船的朝向而转动。
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