CN105644752A - 一种新型风光互补供能无人帆船及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型风光互补供能无人帆船及其控制方法，所述无人帆船包括控制系统、翼帆动力系统、风光储能及驱动系统和船体，控制系统包括硬件控制器、监测平台，翼帆动力系统包括翼帆、翼帆控制装置，风光储能及驱动系统包括太阳能板、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器、储能装置。可以通过监测平台与硬件控制器进行无人船的远程监测及控制，通过翼帆动力系统、风光储能及驱动系统进行无人船动力供应及太阳能直接与风能间接互补发电，并首次提出了利用电推进装置进行发电，通过双电驱动水下推进系统进行转向控制。

Description

一种新型风光互补供能无人帆船及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种新型风光互补供能无人帆船及其控制方法。

背景技术

近年来国际上对无人汽车、无人飞机等的研究有了许多重要突破，但在无人水面船(UnmannedSurfaceVehicle，简称USV)方面，由于研宄对象及环境的复杂性，数十年来，取得的成果还难与无人机、无人车和无人潜水机器人媲美。

无人船作为一种新概念船，可谓是船舶发展的一个新的里程碑。无人船也可称为水面机器人，它是依靠自主方式在水面航行的无人化、智能化的平台，主要用于各种水域环境下执行一些危险以及不适于载人船只执行的任务。

在无人船领域，当前主要存在以下的技术难题：

1、目前无人船存在最大的缺点就是因为船体较小，无法携带足够的燃料，因此航行时间和续航里程是极为有限的。而我国海洋范围广阔，特别是在南海地区，需要大范围的监控，因此航程的限制极大地影响了无人船在海洋领域的大范围的应用。

2、由于现有的无人船主要是以内燃机作为动力，携带大量燃料，因此降低了无人船的有效载荷。而在进行环境监测时由于自身排出的废气或者油污会影响水体或者空气采样的准确性。另外燃料的补给使得系统的使用成本非常高，维护非常复杂。

3、智能化是无人船的重中之重，也是研究中的最大难点，由于无人船要具备在极其恶劣的海况条件下安全航行的能力，并完成相应的使命任务，而且在远程、超出人的视距范围时还能精准的进行自主导航、规避障碍物等，因此实时的监测航行中各种气象数据、进行实时定位十分重要。

不难总结出，目前所有无人船存在最大问题就是航程的限制，由于无人船多采用内燃机或者蓄电池单一的驱动系统作为动力，因此航程很难达到1000公里以上。无人船只是一个水面移动平台，还需要搭载任务设备，因此自身对电力供应要求也比较高。任务设备的增加不仅会使燃料的装载进一步降低，而且会对航程有更加不利的影响。如何制作新型能源供能以达到超长续航能力的、结构精简的无人船是无人船创新发展的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有无人船续航能力有限、供能紧张技术的不足，旨在提供一种太阳能与风能互补驱动方式以实现无限续航里程。

本发明提供了一种新型风光互补供能无人帆船及其控制方法。

本发明采取的技术方案为：一种新型风光互补供能无人帆船，包括硬件控制器、监测平台、翼帆、太阳能板、通过太阳能板支架、无人船船体、翼帆控制装置、尾舵、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器以及储能装置。硬件控制器、监测平台是其控制系统主要组成，翼帆、翼帆控制装置是其翼帆动力系统主要组成，太阳能板、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器、储能装置是其风光储能及驱动系统主要组成。所述太阳能功率优化控制器、储能装置固定于无人船船体的骨架上，太阳能板通过太阳能板支架固定于无人船船体上，电驱动水下推进系统安装在翼帆控制装置上，翼帆控制装置安装在无人船船体上，监测平台、翼帆与翼帆控制装置之间为机械连接，监测平台、翼帆控制装置、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器与硬件控制器为电气连接。

所述监测平台，包括在传感器安装方管上依次安装有风速传感器、风向传感器、光照度传感器以及无人船位姿检测仪。风速传感器、风向传感器、光照度传感器用于实时检测航行水域的气象数据，进而充分利用风能、光能对无人船循环供能；无人船位姿检测仪集成了陀螺仪、电子罗盘、加速度传感器以及GPS定位器，通过信号采集模块将陀螺仪、电子罗盘、加速度传感器三个传感器数据采集到控制系统中，利用卡尔曼滤波技术进行无人船的姿态解算，得到无人船的航向、俯仰、横滚三个轴的信息，用于船体姿态的控制，而位置检测是通过GPS实现的，通过位置检测模块将无人船的经纬度坐标读入中心控制器，然后经由GPRS模块发送给监控终端，监控终端的操作人员将任务指令如目标地点、巡航路线等下发到无人船中。

所述无人船翼帆控制装置包括机械盒、内管、外管、上外壳、单轴电机、翼帆旋转齿轮、翼帆旋转编码器。其中，所述内管嵌套在外管的内部，外管穿过无人船的翼帆作为整个无人船的桅杆，内管上端与监测平台的传感器安装方管相固定，下端与翼帆旋转编码器相固定，单轴电机通过翼帆旋转齿轮的转动，带动翼帆旋转，当翼帆转动时，编码器工作以采集翼帆的旋转角度信息，根据风速、风向、航向、无人船的姿态，控制系统解算出翼帆的最佳攻角，进一步给出翼帆转动的角度，通过控制器控制舵机完成翼帆的控制动作。

所述无人船包括一套太阳能供电系统，其中包含太阳能板、太阳能功率优化控制器和太阳能板支架。在翼帆的两个表面上分别贴有柔性薄膜太阳能电池，另外在前后甲板上也贴有同样材质的太阳能电池。不同部位的太阳能电池板根据功率和电压等级的不同分别进行串并联组合，组成太阳能电池阵列。每个太阳能电池分别通过太阳能电池功率优化器控制，使之能够降低因翼帆等设备的阴影所产生的发电量损失。

所述无人船电驱动水下推进系统包括水下推进器安装板、推进器支杆、沉铅、带浆电机。沉铅与电机均安装在推进器支杆上，两台电驱动水下推进器，分别通过推进器安装板固定在翼帆控制装置的两侧，这样两台推进器不仅可以控制无人船的航行，还可以控制无人船的转向，甚至可以原地转向，另外也可以起到无人船的压载作用，用以平衡翼帆上所受到的倾转力矩。电驱动水下推进系统可以驱动无人船在无风条件下航行，也可以通过差速进行主动转向和被动转向，也可以在风较大时进行间接风力发电。

所述无人船船体采用玻纤维材质，船体作为无人船各个部分的主要载体，船体内部包含骨架作为各个控制器安装及支撑框架。

本发明中实现一种新型风光互补供能无人帆船的控制方法，根据所述的一种新型风光互补供能无人帆船的结构，其相应的控制方法为：监测平台实时监测航行气象数据、位姿位置信息并返回控制中心，根据风速、风向、太阳照度、时间等信息自主规划路径，对无人船的航迹、航速、能量、推进模式等进行优化管理，使得系统能够最大限度地保证任务的完成；

所述一种新型风光互补供能无人帆船，采用太阳能直接发电与风能间接发电互补发电系统，结合储能装置，可以为无人船任务载荷提供无限电能保障，在风速较大时，通过多层次优化策略确定推进模式为：风力推进-电驱动系统发电模式，此时关闭电驱动水下推进系统上带浆电机的硬件系统控制下的工作状态，使其处于自由状态，无人船利用翼帆产生前进动力，当无人船前进时带动电驱动水下推进系统的带浆电机旋转发出动力，利用电力电子装置进行升压控制从而进行间接发电，该模式不需要增加任何硬件系统即可以利用风能间接发电，从而保证了控制系统以及任务载荷系统对电能的需求，与此同时太阳能板又可吸收光能对整个无人船进行直接供能，保证在风速较低时通过储存的太阳能来维持系统稳定工作。

所述一种新型风光互补供能无人帆船，采用双电驱动水下推进系统，在翼帆控制装置的机械盒的两侧均安装电驱动水下推进系统，通过差速进行转向，可以解决低速航行时舵效率降低的问题，可以实现原地转向，使无人船定位精度较高。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，采用风能和太阳能双动力互补推进，可靠性高，具有无限的续航里程。

本发明的一个效果在于，采用太阳能直接发电与风能间接发电互补发电系统，结合储能装置，可以为无人船任务载荷提供无限电能保障。

本发明的一个效果在于，采用多层次优化策略，能够设定任务目标，根据风速、风向、太阳照度、时间等信息自主规划路径，对无人船的航迹、航速、能量、推进模式等进行优化管理，使得系统能够最大限度地保证任务的完成。

本发明的一个效果在于，采用太阳能一体化翼帆结构，使推进系统系统更加紧凑。

本发明的一个效果在于，采用双电推进装置，通过差速进行转向，可以解决低速航行时舵效率降低的问题，可以实现原地转向，使无人船定位精度较高。

本发明的一个效果在于，太阳能功率优化控制器根据不同部位所安装的太阳能电池进行功率优化，实现阴影遮挡条件下的每块太阳能电池的最大功率点分别进行追踪控制，从而提高续航能力。

本发明的一个效果在于，首次提出了利用电推进装置进行发电。在风速较大时，本项目通过多层次优化策略确定推进模式为：风力推进-电驱动系统发电模式。无人船利用翼帆产生前进动力，当无人船前进是带动水下推进器旋转发出动力，利用电力电子装置进行升压控制从而进行间接发电。该模式不需要增加任何硬件系统即可以利用风能间接发电。从而保证了控制系统以及任务载荷系统对电能的需求。

附图说明

图1是所述无人船系统框图；

图2是所述无人船整体结构示意图；

图3是所述无人船等轴测视图；

图4是所述无人船三视图；

图5是所述无人船监测平台；

图6是所述无人船太阳能电池板；

图7是所述桅杆驱动机构；

图8是所述桅杆驱动装置内部组成示意图；

图9是所述无人船推进装置示意图；

图10是所述无人船太阳能电池板安装架；

图11是所述无人船船体示意图；

图12是所述船体内部骨架示意图。

附图中，各标号所代表的部件：1、无人船整体2、船体陈列架3、硬件控制器4、监测平台5、翼帆6、太阳能板7、太阳能板支架8、船体9、翼帆控制装置10、尾舵11、电驱动水下推进系统12、风速仪13、风向仪14、光照度传感器15、传感器安装方管16、外管17、内管18、机械盒19、上安装壳20、单轴电机21、翼帆旋转齿轮22、翼帆旋转编码器23、安装孔24、水下推进器支杆安装孔25、水下推进器安装板26、推进器支杆27、沉铅28、带浆电机29、船体内部骨架30、无人船位姿检测仪31、储能装置32、太阳能功率优化控制器

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

如图1所示本发明所述的一种新型风光互补供能无人帆船，包括控制系统、翼帆动力系统、风光储能及驱动系统、船体。

如图2所示为本发明的整体结构示意图，该装置包括无人船整体1和船体陈列架2两部分组成。船体陈列架2主要用于当无人船1不进行航行，在陆地搁置时，搭载无人船进行装配、维修、调试的作用所述船体陈列架2主要由铝型材组成，轻便、易装卸。

如图3所示，无人船整体1其构成包括硬件控制器3、监测平台4、翼帆5、太阳能板6、太阳能功率优化控制器32、太阳能板支架7、船体8、翼帆控制装置9、尾舵10以及电驱动水下推进系统11。硬件控制器3、监测平台4构成控制系统，翼帆5、翼帆控制装置9构成翼帆动力系统，太阳能板6、电驱动水下推进系统11、太阳能功率优化控制器32、储能装置31构成风光储能及驱动系统。监测平台4、翼帆控制装置9、电驱动水下推进系统11、太阳能功率优化控制器32与硬件控制器3之间为电连接。其中，监测平台4主要用于实时检测无人船1在水面航行时，周围的气象情况，借此充分利用太阳能与风能，实现高效的风光互补供能驱动。翼帆5和翼帆控制装置9安装在船体8上，控制无人船体8航行的方向，无人船船体8采用玻纤维材料，轻便易加工。电驱动水下推进系统11安装在翼帆控制装置9的两侧，太阳能板6通过安装架7安装在无人船船体8上，用于吸收储存太阳能。尾舵10安装在无人船船体8的末端，用于调节无人船1的航行，无人船尾舵10可以实现左右的摆动。硬件控制器3中主要集成了用于控制无人船1各部分的硬件电路。

如图5所示，监测平台4包括风速仪12，用于实时检测航行环境的风速，当风速仪12检测风速不同时，无人船1的航行将切换不同的航行模式以适应水面的风速环境。具体来说，当风速较大时，翼帆5的调整旋转幅度增大，以便快速调整方向，同时航行的动力主要依靠于风能，而不再使用电驱动水下推进系统11；风速较小时，翼帆5的调整旋转幅度减小，以便稳定无人船1的航行状态。监测平台4还包括光照度传感器14，用于实时检测水上光照强度，从而调整太阳能电池板6的吸收太阳能的控制策略。监测平台4还包括风向仪13，用于检测航行时的风向。监测平台4还包括无人船位姿检测仪30，用于实时检测无人船1的位姿及位置信息，从而规划无人船1的路径以及控制算法。风向仪13、光照度传感器14、风速仪12、无人船位姿检测仪30均安装在传感器安装方管15上。

如图7和图8所示，翼帆控制装置9包括外管16、内管17、机械盒18、上外壳19、单轴电机20、翼帆旋转齿轮21、翼帆旋转编码器22、水下推进器支杆安装孔24。内管17嵌套在外管16的内部且固定连接，外管16穿过翼帆5，作为翼帆5旋转轴杆，内管17上端与气象检测平台4的传感器安装方管15相固定，下端与翼帆控制装置9的翼帆旋转编码器22相固定，翼帆旋转齿轮21一端与翼帆固定，一端与单轴电机20固定，单轴电机20的工作带动翼帆旋转齿轮21的转动，带动内管17和外管16转动，从而实现翼帆5的旋转，当翼帆5转动时，翼帆旋转编码器22工作，来检测翼帆5的转动方向。

如图9所示，电驱动水下推进系统11包括水下推进器安装板25、推进器支杆26、沉铅27、带浆电机28。水下推进器安装板25通过翼帆控制装置9的水下推进器支杆安装孔24与机械盒18相固定，沉铅27与电机28均安装在推进器支杆26上。

如图12所示，船体内部骨架29安装在无人船船体8的内部，主要用于安装固定无人船1的各部分硬件控制器3以及太阳能功率优化控制器32。

所述一种新型风光互补供能无人帆船主要包括以下控制策略：

策略1：通过监测平台4与硬件控制器3进行无人船1的远程监测及控制；

策略2：通过翼帆动力系统、风光储能及驱动系统进行无人船动力供应及太阳能直接与风能间接互补发电；

策略3：通过双电驱动水下推进系统11进行转向控制。

通过监测平台4与硬件控制器3进行无人船1的远程监测及控制包括以下步骤：

步骤A1：监测平台4实时监测航行气象数据、位姿位置信息并返回硬件控制器3；

步骤A2：硬件控制器3根据风速、风向、太阳照度、时间等信息自主规划路径，对无人船1的航迹、航速、能量、推进模式等进行优化管理。

通过翼帆5、太阳能板6、太阳能功率优化控制器32、风速仪12、电驱动水下推进系统11进行太阳能直接发电与风能间接发电互补发电系统互补供电的方法包括以下步骤：

步骤B1：在风速较大时，硬件控制器3关闭电驱动水下推进系统11中带浆电机28的工作状态，使其处于自由状态，无人船1利用风能带动翼帆5产生前进动力；

步骤B2：当无人船1前进时带动电驱动水下推进系统11的带浆电机28旋转发出动力从而进行风能间接发电，硬件控制器3将所发的电能储存到储能装置31中；

步骤B3：同时太阳能板6吸收光能，通过太阳能功率优化控制器32对整个无人船1进行直接供电，硬件控制器3将未使用的电能储存到储能装置31中，保证在风速较低时通过储存的太阳能来维持系统稳定工作。

通过双电驱动水下推进系统11进行转向控制的控制方法是通过差速进行转向控制，无人船1实现向右转弯包括以下步骤：

步骤C1：当无人船1直线航行时，硬件控制器3控制左侧电驱动水下推进系统11的带浆电机28转动；

步骤C2：硬件控制器3控制右侧电驱动水下推进系统11的带浆电机28转动，使其右侧的带浆电机28转动速率低于左侧或者使其右侧的带浆电机28停止转动；

步骤C3：无人船1即可实现向右转弯的运动。

Claims (6)

1.一种新型风光互补供能无人帆船，包括控制系统、翼帆动力系统、风光储能及驱动系统和船体，其特征在于，

控制系统包括硬件控制器(3)、监测平台(4)；

翼帆动力系统包括翼帆(5)、翼帆控制装置(9)；

风光储能及驱动系统包括太阳能板(6)、2n个电驱动水下推进系统(11)、太阳能功率优化控制器(32)、储能装置(31)，n≥1；

所述监测平台(4)安装在翼帆(5)顶部；太阳能功率优化控制器(32)、储能装置(31)、翼帆控制装置(9)、太阳能板(6)固定于无人船船体(8)上；电驱动水下推进系统(11)分别安装在船体两侧，翼帆控制装置(9)上；监测平台(4)、翼帆控制装置(9)、电驱动水下推进系统(11)、太阳能功率优化控制器(32)与硬件控制器(3)为电连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型风光互补供能无人帆船，其特征在于,所述监测平台(4)包括风速仪(12)、风向仪(13)、光照度传感器(14)、传感器安装方管(15)、无人船位姿检测仪(30)；风速仪(12)、风向仪(13)、光照度传感器(14)、无人船位姿检测仪(30)均固定安装在传感器安装方管(15)上。

3.根据权利要求1所述的一种新型风光互补供能无人帆船，其特征在于,所述翼帆控制装置(9)包括外管(16)、内管(17)、机械盒(18)、上外壳(19)、单轴电机(20)、翼帆旋转齿轮(21)、翼帆旋转编码器(22)、水下推进器支杆安装孔(24)，所述内管(17)固定嵌套在外管(16)的内部，外管(16)穿过翼帆(5)作为翼帆(5)的转轴，内管(17)上端与监测平台(4)的传感器安装方管(15)相固定，下端与翼帆旋转编码器(22)相固定，翼帆旋转齿轮(21)一端与翼帆(固定)，一端与单轴电机(20)固定，单轴电机(20)通过带动翼帆旋转齿轮(21)转动带动翼帆(5)旋转水下推进器支杆安装孔(24)在机械盒(18)上。

4.根据权利要求1所述的一种新型风光互补供能无人帆船，其特征在于，电驱动水下推进系统(11)包括水下推进器安装板(25)、推进器支杆(26)、沉铅(27)、带浆电机(28)，推进器支杆(26)一端通过水下推进器安装板(25)与翼帆控制装置(9)的水下推进器支杆安装孔(24)相固定，一端安装沉铅(27)与电机(28)。

5.根据权利要求1所述的一种新型风光互补供能无人帆船，其特征在于，包括两个电驱动水下推进系统(11)，安装在翼帆控制装置(9)的机械盒(18)的左右两侧。

6.一种新型风光互补供能无人帆船的控制方法，应用于如权利要求1-5其一所述的无人帆船，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

步骤1：硬件控制器(3)通过监测平台(4)采集位姿位置信息、气象数据信息；

步骤2：硬件控制器(3)根据风速、风向、太阳照度、时间等信息自主规划路径，对无人船的航迹、航速、能量、推进模式等进行优化管理；

步骤3：同时，通过翼帆动力系统、风光储能及驱动系统进行无人船动力供应及太阳能直接与风能间接互补发电：

步骤3-1：在风速较大时，硬件控制器(3)关闭电驱动水下推进系统(11)中带浆电机(28)的工作状态，使其处于自由状态，无人船(1)利用风能带动翼帆(5)产生前进动力；

步骤3-2：当无人船(1)前进时带动电驱动水下推进系统(11)的带浆电机(28)旋转发出动力从而进行风能间接发电，硬件控制器(3)将所发的电能储存到储能装置(31)中；

步骤3-3：同时太阳能板(6)吸收光能，通过太阳能功率优化控制器(32)对整个无人船(1)进行直接供电，硬件控制器(3)将未使用的电能储存到储能装置(31)中，保证在风速较低时通过储存的太阳能来维持系统稳定工作。

步骤4：无人船需要转向时，控制系统通过电驱动水下推进系统(11)进行差速转向控制：

步骤4-1：当无人船(1)直线航行时，硬件控制器(3)控制左侧电驱动水下推进系统(11)的带浆电机(28)转动；

步骤4-2：硬件控制器(3)控制右侧电驱动水下推进系统(11)的带浆电机(28)转动，使其右侧的带浆电机(28)转动速率低于左侧或者使其右侧的带浆电机(28)停止转动；

步骤4-3：无人船(1)即可实现向右转弯的运动。