CN108860454B - 一种全天候长航程无人帆船设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全天候长航程无人帆船，一种无人控制的帆船，由翼帆、主船体、龙骨、压载、风向风速仪、风帆转动机构、太阳能电池板、电池、相关处理器和传感器等设备组成。其船型由常规帆船进行相应改造，使其更适合进行无人控制的作业。由于这种无人帆船以风为动力，并装有太阳能电池，因此比起其他无人船其工作时间将大大延长，可以做到全天候、长航程的工作。这种无人帆船建造和使用成本低廉、工作时间长，可用于海洋环境的探察、水面巡逻等任务，实现智能化、自动化、低成本的大区域海洋的可靠监测。
Description
技术领域
一种可全天候、长航程工作的无人控制帆船，可长时期、低消耗地自主巡航在海洋上，可用于海洋环境的探察、水面巡逻等任务。
背景技术
帆船是一种以风力为推进方式的水上交通运输工具，现主要用于运动竞技与休闲娱乐。前者注重速度,而后者注重安全及舒适性。帆船主要由船体、风帆、桅杆、横杆、稳向板、舵等构件组成。
目前关于无人控制海洋航行器已经有了不小的进展，包括水面上的无人船、水下的遥控无人潜水器ROV、自主式水下潜器AUV等等。其中水面无人船基本上均以常规船型为基础，以螺旋桨为推进方式，这些无人船依靠电力或内燃机作为推动力，但由于发动机所需燃料数量或者电池容量的限制，其在航行距离和航行时间上受到了制约，难以做到全天候、长航程的工作。与之相反的是，一艘无人帆船因为以风为动力，基本在动力方面不会太多的消耗船上的资源，由此可以有更多的能源来支持传感器、计算机等设备的工作，从而大大的延长了无人帆船的工作时间，使其比起常规无人船更易做到全天候、长航程的运行。
但目前关于无人帆船方面的研究较少，而且大部分成果均处于国外，国内在无人帆船领域的进展较少。
发明内容
有鉴于此，为了达到上述方案的效果，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的一种全天候长航程无人帆船设计方法：
步骤一：船体的设计
无人操纵帆船，是完全无人驾驶的，也就是实现整条船是一艘无人水面艇；因此在设计船型时，需要考虑尽量保持帆船有较高的抗倾覆能力、较好的操纵性能，和远距离航行的能力；由于帆船主要用于海洋环境的探察、水面巡逻等任务，且为无人操纵；因此，其载重量为10kg或以上，排水量设计为15kg，压载占排水量的1/3,对航速没有过高的要求，其常用航速设计为傅汝德数0.2-0.3；另外，帆船需要全天候长航程的工作，因此在设计时尽可能增加进流段长度以减小阻力，改善艏部型线和侧视图提升耐波性，优化尾部型线，使得去流段为低阻力的纵流型，最终将帆船船体设计为横剖型线；
步骤二：帆和帆装的设计
帆船传统帆形状的设计为三角帆形状，但其需要较大的力来收帆；而无人帆船能源自给自足，在设计时考虑到对原料的节省选择半平衡帆设计；半平衡帆有一个可活动的桅杆，上面有主帆和三角帆；端面板能引导风通过帆的受力面，提高帆的效率和功率；主帆比三角帆受力大，合力在主帆的背面，相比传统帆，控帆索具锁上的力减少50％；且本设计帆为矩形半平衡帆；另外，帆的材质有许多种，此无人帆船采用翼帆帆装，且翼帆升力系数设计为1.15，翼帆是刚性的，它拥有类似飞机翼型的截面，更具有空气动力学特性，某一特定的翼帆效率在某个来风入射角能达到最大，且翼帆具有圆润的迎风导边，能适应于更广的来风；传统的船帆材料像一层薄膜，对于形体的保持比较困难；
步骤三：T型龙骨设计
综合无人帆船的耐波性以及航向稳定性，帆船选用翼龙骨由压载和水翼构成；水翼的翼型设计为NACA65-020，其中NACA是美国国家航空咨询委员会开发的一系列翼型代号，6代表设计的升力系数为6*(3/20),5表示最大弯度位置为5/20，0代表中弧线为简单形，20代表相对厚度为20％的弦长；翼型设计失速角小，阻力小，符合翼龙骨的工作状态要求；翼型龙骨型船体船底放置一块固定的稳向板和压铅，体积较大、稳定性强；另外，翼型龙骨型船体船底深入水下部分设计有压载块，当船向一边倾斜时，龙骨的重量会把船重新扶正；根据结构与稳定性的性能原理，重心越低，结构越稳定；船型船体重心较低，稳性较好；
步骤四：硬件设施的设计
无人帆船内部硬件设施主要设计有风速风向仪、太阳能电池板、风帆转动机构、IMU姿态解算传感器、GPRS以及通信装置等；风速风向仪主要利用风速和风向两个传感器确定当地的风矢量，风速大小由转杯式风速计决定，相对风向由风向标决定；GPRS通过对帆船进行定位和跟踪导航获取帆船的位置和速度信息，另外，便于对无人帆船航行时的路径规划以及在意外情况下对无人帆船的回收；IMU姿态解算传感器解算船体附体坐标系下三自由度的和角加速度，得到航向、横倾、纵倾和转首等参数；通信装置用于无人帆船与陆上或海上基站的信息传递，将帆船收集到的数据传送回基站进行处理；具体运作方式主要是，风速风向仪、IMU姿态解算传感器、GPS传感器采集的数据经过预处理后共享给后续模块，路径规划模块根据船帆当前的位置和风向等信息规划出最佳航迹，并输出控制指令给舵控制器和帆控制器；帆船通过两个独立的控制器分别控制舵和帆的动作，从而控制帆船的姿态和导航过程，并将GPS位置和姿态等信息通过传感器反馈回来，形成闭环控制；太阳能电池板，通过利用白天的日照能对帆船的电池电量进行补充，从而提高无人帆船的工作时间和航向距离；
步骤五：环境建模及测试
对于无人帆船，路径规划是其最重要的组成部分之一，它是指按照某一指标，搜索一条从起始点到目标点的避开障碍物的最佳或近似最佳路线，是帆船导航的一个最基本环节。由于在进行环境测试中，所实验区域一般较小，因此环境建模中最重要的一步就是GPS与局部坐标系的转换；具体转换方法如下：
一般实验区域较小，假设水面是平的，坐标系转换公式如下：
其中，lon是GPS经度坐标值，lat是GPS纬度坐标值，E代表地球缩写，RE代表地球平均半径(RE＝6371004m),cos代表余弦函数，e代表转换后的大地二维平面坐标系中的横坐标轴，e轴正方向指向东方；n代表转换后的大地二维平面坐标系中的纵坐标轴，n轴正方向指向北方；将坐标系进行转换后进行信号输入，通过处理器的闭环操作处理，对无人帆船进行航行测试。
附图说明
图1为船体设计的横剖型线图
图2为矩形半平衡帆图形
图3为无人帆船硬件控制图
图4为无人帆船结构图：主船体1、龙骨2、桅杆3、太阳能电池板4、风帆转动机构5、风速风向仪6、翼帆7
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
实施例1：一种全天候长航程无人帆船设计方法的具体成果为：
(1)设计了一种通过在船体铺入太阳能电池板，通过利用白天的日照能对帆船的电池电量进行补充，提高无人帆船的工作时间和航向距离。
(2)采用了T型龙骨型帆船设计，此种船型体积较大因而可以放下更多的仪器设备，增强了帆船稳定性强，使其能够进行长航程的航行。另外，这种船型有较高的抗倾覆能力、较好的操纵性能和远距离航行能力，提高了其无人的操作控制。
(3)通过GPS与局部坐标系的转换公式的给出，提出了一种对于所设计的产品的模拟与测试。
Claims (1)
1.一种全天候长航程无人帆船设计方法，其特征在于，包含以下步骤:
步骤一：船体的设计；
无人帆船载重量设计为10kg或以上，排水量设计为15kg，压载占排水量的1/3 ,所述无人帆船航速设计为傅汝德数0.2-0.3；另外，所述无人帆船需要全天候长航程的工作，所述无人帆船所述船体设计为横剖型线；
步骤二：帆和帆装的设计；
所述无人帆船的帆设计为半平衡模式，半平衡的帆有一个可活动的桅杆，上面有主帆和三角帆；端面板能引导风通过所述帆的受力面，提高所述帆的效率和功率；所述主帆比所述三角帆受力大，合力在所述主帆的背面，相比传统帆，控帆索具锁上的力减少50％；且本设计所述帆为矩形半平衡帆；另外，所述无人帆船采用翼帆帆装设计，且所述翼帆升力系数设计为1.15，所述翼帆是刚性的，拥有类似飞机翼型的截面，更具有空气动力学特性，所述翼帆效率在来风入射角能达到最大，且所述翼帆具有圆润的迎风导边；
步骤三：T型龙骨设计；
所述无人帆船选用翼龙骨设计，所述翼龙骨由压载和水翼构成；所述水翼的翼型设计为NACA65-020，其中NACA是美国国家航空咨询委员会开发的一系列翼型代号，6代表设计的升力系数为6*(3/20) ,5表示最大弯度位置为5/20，0代表中弧线为简单形，20代表相对厚度为20％的弦长；所述翼型设计失速角小，阻力小，符合翼龙骨的工作状态要求；所述无人帆船的船底放置一块固定的稳向板和压铅，体积较大、稳定性强；另外，所述无人帆船的船底深入水下部分设计有压载块，当船向一边倾斜时，所述龙骨的重量会把船重新扶正；根据结构与稳定性的性能原理，重心越低，结构越稳定；所述无人帆船的船型船体重心较低，稳性较好；
步骤四：硬件设施的设计；
所述无人帆船内部硬件设施主要设计有风速风向仪、太阳能电池板、风帆转动机构、IMU姿态解算传感器、GPS以及通信装置；所述风速风向仪主要利用风速和风向两个传感器确定当地的风矢量，风速大小由转杯式风速计决定，相对风向由风向标决定；所述GPS通过对所述帆船进行定位和跟踪导航获取所述帆船的位置和速度信息，另外，所述GPS的设计便于对所述无人帆船航行时的路径规划以及在意外情况下对无人帆船的回收；所述IMU姿态解算传感器解算船体附体坐标系下三自由度的角加速度，得到航向、横倾、纵倾和转首参数；所述通信装置用于无人帆船与陆上或海上基站的信息传递，将所述帆船收集到的数据传送回基站进行处理；具体运作方式主要是，所述风速风向仪、所述IMU姿态解算传感器、所述GPS采集的数据经过预处理后共享给后续的路径规划模块，路径规划模块根据所述船帆当前的位置和风向信息规划出最佳航迹，并输出控制指令给舵控制器和帆控制器；所述无人帆船通过两个独立的控制器分别控制舵和帆的动作，从而控制所述帆船的姿态和导航过程，并将GPS位置和姿态信息反馈回来，形成闭环控制；所述太阳能电池板，通过利用白天的日照能对所述帆船的电池电量进行补充，从而提高所述无人帆船的工作时间和航向距离；
步骤五：环境建模及测试；
对所述无人帆船进行环境建模测试设计以便模拟其路径规划，所述路径规划是指按照一指标，搜索一条从起始点到目标点的避开障碍物的最佳或近似最佳路线，是帆船导航的一个最基本环节；在进行环境测试中，所用实验区域一般较小，因此所述环境建模中最重要的一步就是所述GPS与局部坐标系的转换；具体转换方法如下：
一般实验区域较小，假设水面是平的，坐标系转换公式如下：
其中，lon是GPS经度坐标值，lat是GPS纬度坐标值，E代表地球缩写，RE代表地球平均半径(RE＝6371004m) ,cos代表余弦函数，e代表转换后的大地二维平面坐标系中的横坐标轴，e轴正方向指向东方；n代表转换后的大地二维平面坐标系中的纵坐标轴，n轴正方向指向北方；将所述大地二维平面坐标系进行转换后进行信号输入，通过处理器的闭环操作处理，对所述无人帆船进行路径规划航行模拟测试，通过在船体铺入太阳能电池板，利用白天的日照能对帆船的电池电量进行补充，提高无人帆船的工作时间和航向距离；采用T型龙骨型帆船设计，此种船型体积大因而可以放下更多的仪器设备，增强帆船稳定性强，使其能够进行长航程的航行，有抗倾覆能力和远距离航行能力，提高其无人的操作控制，通过GPS与局部坐标系的转换公式的给出，提出一种对于所设计的产品的模拟与测试。
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