CN109606577B - 一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇 - Google Patents

一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇 Download PDF

Info

Publication number
CN109606577B
CN109606577B CN201811465068.1A CN201811465068A CN109606577B CN 109606577 B CN109606577 B CN 109606577B CN 201811465068 A CN201811465068 A CN 201811465068A CN 109606577 B CN109606577 B CN 109606577B
Authority
CN
China
Prior art keywords
small
unmanned ship
sail
self
bridge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811465068.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109606577A (zh
Inventor
郭涵慧
余永强
杨松林
高沙沙
曹志伟
汤旸
王井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu University of Science and Technology
Original Assignee
Jiangsu University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University of Science and Technology filed Critical Jiangsu University of Science and Technology
Priority to CN201811465068.1A priority Critical patent/CN109606577B/zh
Publication of CN109606577A publication Critical patent/CN109606577A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109606577B publication Critical patent/CN109606577B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/02—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving lift mainly from water displacement
    • B63B1/10—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving lift mainly from water displacement with multiple hulls
    • B63B1/12—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving lift mainly from water displacement with multiple hulls the hulls being interconnected rigidly
    • B63B1/121—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving lift mainly from water displacement with multiple hulls the hulls being interconnected rigidly comprising two hulls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B43/00—Improving safety of vessels, e.g. damage control, not otherwise provided for
    • B63B43/02—Improving safety of vessels, e.g. damage control, not otherwise provided for reducing risk of capsizing or sinking
    • B63B43/10—Improving safety of vessels, e.g. damage control, not otherwise provided for reducing risk of capsizing or sinking by improving buoyancy
    • B63B43/14—Improving safety of vessels, e.g. damage control, not otherwise provided for reducing risk of capsizing or sinking by improving buoyancy using outboard floating members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H9/00—Marine propulsion provided directly by wind power
    • B63H9/04—Marine propulsion provided directly by wind power using sails or like wind-catching surfaces
    • B63H9/06—Types of sail; Constructional features of sails; Arrangements thereof on vessels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B2035/006—Unmanned surface vessels, e.g. remotely controlled

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开了一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，一方面，在无人艇线型方面进行优化设计，其箱型连接桥首部设置V型小体，尾部配备智能吊舱，以增加无人艇的操纵性，减小首倾现象，另一方面，为满足气象监则的需求，无人艇船首前部三分之一处设有环境感知系统，环境监测系统以及设置于船尾的智能航行系统，其智能航行系统包括布置于两主浮体后部两套主推进装置、布置于连接桥后下部吊舱装置和后上表面的太阳能风帆装置，风帆与太阳能结合的设计可以有效增加光伏板的利用率，为气象监测设备的搭载提供更多的空间。

Description

一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇
技术领域
本发明涉及一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，属于船舶工程技术领域。
背景技术
随着沿海经济活动的发展，有关海洋方面的法律制度的也日趋完善，我国以海域开发和海洋资源利用为目的海洋环境调查监测迅速增多，尤其是大部分海域使用论证和海洋环境影响评价都需要开展海洋调查监测工作，使得这种小规模的海洋调查监测活动的数量大幅增加。但是，大多是以人力为主的科学考察为主，这样不紧费时费力，是检测和保护成本大大增加。因此加强海洋环境保护刻不容缓，但是当前缺乏一些先进的海洋环境保护、监测和评估的科学技术平台。
伴随着人类信息化产业的发展趋势，智能化产物应运而生。水面无人艇是一种能够在实际海洋环境下安全自主航行,并完成各种任务的海上智能运动平台。在高度动态和不可预测的海洋环境里,为了达到高度自治,无人艇需要灵活可靠的操纵性能、精确快速的控制能力来确保其他船只与自身的安全；同时，从加强无人艇的自适应性与智能性,改善无人艇的工作性能的观点来看,其控制系统还应该具备良好的自适应、自学能力功能，从而需要引入人工智能来设计无人艇的智能控制系统。随着水面无人艇自主控制能力的不断增强，无人艇智能平台需要持续不断深入搭建，以满足其智能控制方面的需求。
无人艇因其优异的性能在军事领域发挥越来越大的作用，针对目前我国海洋环境监测和海洋管理存在的问题，结合无人艇的特点，对无人艇在海洋环境监测以及海洋管理方面的应用前景进行了探索和展望。
国内外大多数监测艇，多为水面式无人艇，其中有一共同缺点，就是耐波性差，本作品设计的是一种小水线面船，其优点是有较好的耐波性，克服了单体滑行艇和常规三体艇型水面无人艇静浮及高速航行时运动稳定性差和经济性差的缺点，其综合性能优于单体滑行艇和常规三体艇型无人艇，特别是摇荡运动性能得到极大改善。同时本作品还在箱型连接桥前部设置近似V型小体以改善航行性能。
同时，由于环境保护，节能减排的呼声越来越高，各类新能源、清洁能源的开发利用也越来越被各国所重视，常规清洁能源如太阳能和风能现已被多国多领域所采用并处于不断更新研发状态，在无人艇上，利用太阳能电池板，将太阳能转化为电能，并利用控制器对蓄电池进行充电。在风能的利用方面，目前主要有风力推进和风能发电两个主要方向，而考虑到风力发电实际应用难度较大，所以采用风力推进成为较好的利用风能这种清洁能源的方式。
发明内容
发明目的：为了保证无人艇能准确、实时、有效地完成海洋气象监测的任务，得到有关海洋气象数据，本发明通过无人艇的艇型设计，提高无人艇的稳性和耐波性，并将一系列监测模块搭载于无人艇上，通过智能航行系统，实现多种模式下的气象监测任务，并通过创造性的太阳能风帆的设计，增加续航时间，节约能源。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，包括：上层建筑、上部箱型连接桥、V型小体、左右对称布置并固接于上部箱型连接桥下部的两细长片体和固接于两细长片体下部的主浮体，其特征在于，
所述V型小体固接于上部箱型连接桥的前部下表面，所述V型小体的横剖面形状为近似V形，且所述所述V型小体从船首延伸到船中，且随着向船中的方向延伸，所述V形小体的横剖面夹角逐渐增大；
该小水线面双体无人艇上还设置有环境感知系统、环境监测系统和智能航行系统，所述环境感知系统负责对无人艇的实时位置和目标位置进行监测，以便实现自主巡航；所述环境监测系统实现对环境情况进行监测，并能够将环境信息进行无线传输；所述智能航行系统实现对该无人艇的自动推进与控制；
所述环境感知系统、环境监测系统和智能航行系统相互配合监测与控制，所述智能航行系统包括太阳能风帆。
进一步，作为优选，所述环境感知系统至少包括GPS，九轴传感器、陀螺仪，其中位于无人艇船体上的GPS确定无人艇的位置坐标及目标点的位置坐标，九轴传感器得出偏离方向角度，并与单片机中的控制程序相结合，实现无人艇的自主巡航和多种监测模式；所述环境监测系统至少包括风速风向传感器、摄像装置、无线收发天线、水温及PH值传感器组，所述风速风向传感器、摄像装置、和水温及PH值传感器组所采集的信息能够通过无线收发天线实现数据的实时传输。
进一步，作为优选，所述箱型连接桥的横剖面为矩形，所述箱型连接桥的长宽比为1.2-6：1，其舯后高度H桥和宽度B桥不变，从舯部到最前端其高度H桥逐渐下降到1/5-2/5倍的箱型连接桥最大高度，宽度B桥逐渐下降到其3/5-4/5倍的最大宽度；
所述V型小体的长宽比为1.6-3.2：1、高度不大于细长片体设计水线面以上高度；两细长片体几何形状及大小完全相同、其水线面形状为对称翼型并不随吃水变化、其长宽比为18-30:1、水线面以下高度不小于主浮体高度的1.8倍；
两主浮体几何形状及大小完全相同、其横剖面左右各为半个椭圆或半个圆形、其长宽比为7-16:1、其长高比为8-18：1；
箱型连接桥的长度与主浮体长度之比为0.9-1.1:1，主浮体长度与两细长片体间距之比为1.6-8.8:1。
进一步，作为优选，水线面形状从底部到所述箱型连接桥相连部分，所述V型小体的长宽比由3.2减小到1.6。
进一步，作为优选，所述智能航行系统包括推操系统、实时定位及姿态测量装置和智能控制中心及执行系统，其中，推操系统包括布置于两主浮体后部的两套主推进装置、布置于连接桥后下部吊舱装置，艇体舯后部距船尾1/3处的太阳能风帆装置。
进一步，作为优选，所述太阳能风帆装置包括两片小风帆、支撑杆、自锁滑块一、固定在风帆上的线绳、底部旋转电机、数片太阳能板、风帆上端的上碳制长杆、轴承、风帆下端的下碳制长杆、风帆桁架、自锁滑块二和稳压器，其中，两片小风帆的剖面呈翼型，两片小风帆交错放置，支撑杆的底端采用底部旋转电机竖直连接在艇体上，所述上碳制长杆连接在自锁滑块二上，所述风帆支撑杆上设置有上下间隔布置的自锁滑块一，所述自锁滑块通过线绳与所述上碳制长杆两端的轴承绕接，所述两片小风帆设置在上碳制长杆、下碳制长杆上，多片所述太阳能板设置在所述两片小风帆一侧，小风帆在收起时，顶部减速电机转动以释放中心线绳，自锁滑块一滑块、自锁滑块二驱动与之连接的上碳制横杆向下移动达到收缩风帆的目的；小风帆在升起时顶部减速电机收缩中心线绳，自锁滑块一、自锁滑块二驱动与之连接的上碳制横杆向上移动达到升起风帆的目的，在风帆工作状态下，布置在风帆一侧的太阳能光伏板将收集到的太阳能经过稳压器稳压，储存在蓄电池中，增加无人艇的续航时间。
进一步，作为优选，还包括和光敏元件，所述和光敏元件与控制系统连接，以便通过光敏元件检测的太阳光来控制底部旋转电机驱动角度，提高风帆利用太阳能和风能的效率。
进一步，作为优选，吊舱装置包括齿轮箱、螺旋桨和电机，所述电机通过齿轮箱与螺旋桨驱动连接。
进一步，作为优选，所述主推进装置包括电机、万向联轴节、传动轴、传动短轴和螺旋桨，电机分别装在左侧细长片体和右侧细长片体的前侧，传动长轴的一端与电机通过万向联轴节相连接，另一端通过万向联轴节与传动短轴相连接，传动短轴的端部通过轴套伸出艇外，螺旋桨固定连接在传动短轴伸出艇外的端部处。
进一步，本发明提供了一种基于性能综合优化计算小水线面双体无人艇的各尺度比及各部分几何形状的方法，其特征在于，该方法包括兼顾无人艇阻力性能、推进性能、操纵性、摇荡特性、抗倾覆性能、绿色能源利用率、总布置特性和环境监测功能综合最优的优化数学模型以及利用遗传算法来优化计算，其包括以下步骤：
(1)设计变量的选取
涉及的设计变量共有25个，包括：船长L，船宽B，吃水T，潜体长度Lh，潜体直径D1，支柱长度Ls，支柱最大宽度ts，浮心纵向位置Lcp，方形系数Cb，水线长Lw，水线面系数Cw，双体船片体间距C0，重心高度Zg，螺旋桨直径DP，盘面比Aeo，螺距比PDP，螺旋桨转速N，设计航速VS，重心垂向位置与型深比δZD，顶层上层建筑的长度与底层长度比值δL1，顶层上层建筑的高度H1，底层上层建筑的长度与船长比值δL2，底层上层建筑的高度H2，上层建筑宽度与船宽比值δBa，吃水型深比TD；
(2)优化数学模型的构建
水面无人艇的综合性能总目标函数采用幂指数乘积的形式构造：
F(x)＝f1(x)α1*f2(x)α2*f3(x)α3*f4(x)α4*f5(x)α5
式中：f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)分别为快速性、操纵性、耐波性、抗倾覆性与绿色能源系统的目标函数，且有α1*α2*α3*α4*α5＝1；
f1(x)为快速性目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000041
f2(x)为操纵性目标函数，其表达式为，
f2(x)＝C
f3(x)为耐波性目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000042
f4(x)为抗倾覆性目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000051
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000052
(3)约束条件
约束条件主要包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、螺旋桨需满足空泡约束、初稳性高约束、横摇周期约束，太阳能风帆的布置约束；
(4)用遗传算法对绿色能源小水线面双体无人艇进行了综合优化计算，得出一组最佳优化结果。即绿色能源小水线面双体无人艇的尺度及各部分几何形状。
本无人针对该绿色能源小水线面双体无人艇建立了包括快速性、操纵性、耐波性、抗倾覆性以及绿色能源系统的目标函数，与设计变量、约束条件共同构成了优化数学模型，结合优化算法、优化策略及综合优化数学模型编写了综合优化软件，并选用改良遗传算法对绿色能源小水线面双体无人艇进行了综合优化计算，得出一组最佳优化结果，即绿色能源小水线面双体无人艇的尺度及各部分几何形状。
有益效果：本发明以小水线面双体船为载体，且对小水线面双体船的船型参数通过综合优化软件进行优化计算，得到针对海洋气象监测这一主要功能航行性能最好的方案，有效减小片体间兴波及干扰阻力，结合小水线面双体船本身具有的兴波阻力小，甲板面积大，耐波性好，航行阻力小，稳定性好的优点，可以为多种监测设备提供稳定的工作环境，并且其较好的航行性能可以满足该无人艇在近海兼顾远海水域的工作要求，为了防止该无人艇后部布置太阳能风帆后重量增加，导致无人艇首倾，该无人艇箱型连接桥前部下表面设置有近似V型小体，当无人艇首倾时，近似V型小体入水产生浮力，减小首倾现象。无人艇舯后排水体积大于舯前排水体积，在风浪作用无人艇产生横倾的作用下，可为无人艇提供较大的复原力矩，有利于无人艇的稳定性。在控制系统及推进系统的作用下，其具有多种监测模式，可灵活完成一系列监测任务，有利于增加无人艇工作时的安全性；其配备的太阳能风帆，在较远的水域可以为无人艇增加续航时间，同时风帆与太阳能结合的设计可以有效增加光伏板的利用率，为气象监测设备的搭载提供更多的空间。
附图说明
图1是本发明的船体部分俯视图简图；
图2是本发明整船侧视图；
图3是本发明船长方向据船首1/5处横剖视图；
图4是本发明的太阳能风帆简图；
图5是本发明的智能吊舱系统简图。
图中附图标记说明：1上部箱型连接桥，2主浮体，3细长片体，4摄像装置，5V型小体，6风帆支撑杆，7太阳能风帆装置，8电机，9无线收发天线，10 GPS定位装置，11风速风向传感器，12传动轴，13传动短轴，14螺旋桨，15吊舱连接端，16吊舱装置,7-1小风帆 7-2支撑杆 7-3自锁滑块一 7-4线绳 7-5底部旋转电机 7-6太阳能板 7-7下碳制长杆 7-8轴承 7-9下碳制长杆 7-10风帆桁架 7-11自锁滑块二 7-12中心线绳 7-13减速电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1-5所示，一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，包括：上层建筑、上部箱型连接桥1、V型小体5、左右对称布置并固接于上部箱型连接桥1下部的两细长片体3和固接于两细长片体3下部的主浮体2，V型小体5固接于上部箱型连接桥1的前部下表面，所述V型小体5的横剖面形状为近似V形，且V型小体5从船首延伸到船中，且随着向船中的方向延伸，所述V形小体的横剖面夹角逐渐增大；该小水线面双体无人艇上还设置有环境感知系统、环境监测系统和智能航行系统，所述环境感知系统负责对无人艇的实时位置和目标位置进行监测，以便实现自主巡航；所述环境监测系统实现对环境情况进行监测，并能够将环境信息进行无线传输；所述智能航行系统实现对该无人艇的自动推进与控制；所述环境感知系统、环境监测系统和智能航行系统相互配合监测与控制，所述智能航行系统包括太阳能风帆。
在本发明中，如图1所示，为了防止该无人艇后部布置太阳能风帆后重量增加，导致无人艇首倾，该无人艇箱型连接桥前部下表面设置有V型小体5，当无人艇首倾时，V型小体5入水产生浮力，减小首倾现象，且无人艇舯后排水体积大于舯前排水体积，在风浪作用无人艇产生横倾的作用下，可为无人艇提供较大的复原力矩，有利于无人艇的稳定性。
为了实现无人艇的气象监测功能，无人艇需要环境监测系统与环境感知系统相配合使用，所述环境感知系统至少包括GPS10，九轴传感器、陀螺仪，其中位于无人艇船体上的GPS确定无人艇的位置坐标及目标点的位置坐标，九轴传感器得出偏离方向角度，并与单片机中的控制程序相结合，实现无人艇的自主巡航和多种监测模式；所述环境监测系统至少包括风速风向传感器11、摄像装置4、无线收发天线9、水温及PH值传感器组，所述风速风向传感器11、摄像装置4、和水温及PH值传感器组等一系列传感器所采集的信息能够通过无线收发天线9实现数据的实时传输，提高环境监测的效率。
为了提高无人艇的续航能力，增加无人艇监测的效率，本发明为无人艇配备了智能航行系统，所述智能航行系统包括推操系统，实时定位及姿态测量装置，智能控制中心及执行系统。推操系统即布置于两主浮体2后部两套主推进装置、布置于上部箱型连接桥1后下部吊舱装置16，吊舱装置16利用吊舱连接端15连接在上部箱型连接桥1上，艇体舯后部距船尾1/3处的太阳能风帆装置7。
所述主推进装置包括电机8、万向联轴节、传动轴12、传动短轴13和螺旋桨14，电机8分别装在左侧细长片体3和右侧细长片体3的前侧，传动长轴12的一端与电机通过万向联轴节相连接，另一端通过万向联轴节与传动短轴13相连接，传动短轴13的端部通过轴套伸出艇外，螺旋桨14固定连接在传动短轴伸出艇外的端部处。
所述太阳能风帆装置包括两片小风帆7-1、支撑杆7-2、自锁滑块一7-3、固定在风帆上的线绳7-4、底部旋转电机7-5、数片太阳能板7-6、风帆上端的上碳制长杆7-7、轴承7-8、风帆下端的下碳制长杆7-9、风帆桁架7-10、自锁滑块二7-11和稳压器，其中，两片小风帆7-1的剖面呈翼型，两片小风帆7-1交错放置，支撑杆7-2的底端采用底部旋转电机7-5竖直连接在艇体上，所述上碳制长杆7-7连接在自锁滑块二7-11上，所述风帆支撑杆7-2上设置有上下间隔布置的自锁滑块一7-3，所述自锁滑块7-3通过线绳7-4与所述上碳制长杆7-7两端的轴承7-8绕接，所述两片小风帆7-1设置在上碳制长杆7-7、下碳制长杆7-9上，多片所述太阳能板7-6设置在所述两片小风帆7-1一侧，小风帆在收起时，顶部减速电机7-13转动以释放中心线绳7-12，自锁滑块一滑块7-3、自锁滑块二7-11驱动与之连接的上碳制横杆7-7向下移动达到收缩风帆的目的；小风帆在升起时顶部减速电机7-13收缩中心线绳7-12，自锁滑块一7-3、自锁滑块二7-11驱动与之连接的上碳制横杆7-7向上移动达到升起风帆的目的，在风帆工作状态下，布置在风帆一侧的太阳能光伏板7-6将收集到的太阳能经过稳压器稳压，储存在蓄电池中，增加无人艇的续航时间。
此外，为了提高太阳能板的效率，还包括和光敏元件，所述和光敏元件与控制系统连接，以便通过光敏元件检测的太阳光来控制底部旋转电机7-5驱动角度，提高风帆利用太阳能和风能的效率。
吊舱装置包括齿轮传动箱161、双螺旋桨162和电机箱163，所述电机箱163提供动力，动力通过传动轴传到传动箱161，然后动力输出到双螺旋桨162，使双螺旋浆转动。具体来说，即通过垂直传动轴末端的伞齿与两螺旋桨162间水平传动轴上套有的45度伞齿相啮合，同时驱动双螺旋桨工作。吊舱装置和感知系统分别接入控制系统，外部感知系统与环境感知系统联系，感知到外界的位置信息确定目标点，控制系统作用下，分析计算得出适合的航向和航速并控制吊舱执行系统改变航向航速，以顺利完成巡航路线或到达监测目的地。
对于本发明的小水线面双体无人艇的各尺度比及各部分几何形状，本发明采用以下方法进行优化计算，具体为：该方法包括兼顾无人艇阻力性能、推进性能、操纵性、摇荡特性、抗倾覆性能、绿色能源利用率、总布置特性和环境监测功能综合最优的优化数学模型以及利用遗传算法来优化计算，其包括以下步骤：
(1)设计变量的选取
涉及的设计变量共有25个，包括：船长L，船宽B，吃水T，潜体长度Lh，潜体直径D1，支柱长度Ls，支柱最大宽度ts，浮心纵向位置Lcp，方形系数Cb，水线长Lw，水线面系数Cw，双体船片体间距C0，重心高度Zg，螺旋桨直径DP，盘面比Aeo，螺距比PDP，螺旋桨转速N，设计航速VS，重心垂向位置与型深比δZD，顶层上层建筑的长度与底层长度比值δL1，顶层上层建筑的高度H1，底层上层建筑的长度与船长比值δL2，底层上层建筑的高度H2，上层建筑宽度与船宽比值δBa，吃水型深比TD；
(2)优化数学模型的构建
水面无人艇的综合性能总目标函数采用幂指数乘积的形式构造：
F(x)＝f1(x)α1*f2(x)α2*f3(x)α3*f4(x)α4*f5(x)α5
式中：f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)分别为快速性、操纵性、耐波性、抗倾覆性与绿色能源系统的目标函数，且有α1*α2*α3*α4*α5＝1；
f1(x)为快速性目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000081
f2(x)为操纵性目标函数，其表达式为，
f2(x)＝C
f3(x)为耐波性目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000091
f4(x)为抗倾覆性目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000092
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889570860000093
(3)约束条件
约束条件主要包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、螺旋桨需满足空泡约束、初稳性高约束、横摇周期约束，太阳能风帆的布置约束；
(4)用遗传算法对绿色能源小水线面双体无人艇进行了综合优化计算，得出一组最佳优化结果。即绿色能源小水线面双体无人艇的尺度及各部分几何形状。
采用该方法优化的结果如下：所述箱型连接桥1的横剖面为矩形，使得无人艇能为各种监测设备的布置配备有较大的甲板空间，并提供较平稳的工作环境，所述箱型连接桥1的长宽比为1.2-6：1，其舯后高度H桥和宽度B桥不变，从舯部到最前端其高度H桥逐渐下降到1/5-2/5倍的箱型连接桥最大高度，宽度B桥逐渐下降到其3/5-4/5倍的最大宽度；所述V型小体5的长宽比为1.6-3.2：1、高度不大于细长片体设计水线面以上高度；两细长片体3几何形状及大小完全相同、其水线面形状为对称翼型并不随吃水变化、其长宽比为18-30:1、水线面以下高度不小于主浮体高度的1.8倍；两主浮体2几何形状及大小完全相同、其横剖面左右各为半个椭圆或半个圆形、其长宽比为7-16:1、其长高比为8-18：1；箱型连接桥的长度与主浮体长度之比为0.9-1.1:1，主浮体长度与两细长片体间距之比为1.6-8.8:1。
水线面形状从底部到所述箱型连接桥1相连部分，所述V型小体5的长宽比由3.2减小到1.6。
本发明的优化方法针对该绿色能源小水线面双体无人艇建立了包括快速性、操纵性、耐波性、抗倾覆性以及绿色能源系统的目标函数，与设计变量、约束条件共同构成了优化数学模型。结合优化算法、优化策略及综合优化数学模型编写了综合优化软件，并选用改良遗传算法对绿色能源小水线面双体无人艇进行了综合优化计算，得出一组最佳优化结果。即绿色能源小水线面双体无人艇的尺度及各部分几何形状。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，包括：上层建筑、上部箱型连接桥(1)、V型小体(5)、左右对称布置并固接于上部箱型连接桥(1)下部的两细长片体(3)和固接于两细长片体(3)下部的主浮体(2)，其特征在于，
所述V型小体(5)固接于上部箱型连接桥(1)的前部下表面，所述V型小体(5)的横剖面形状为近似V形，且所述所述V型小体(5)从船首延伸到船中，且随着向船中的方向延伸，所述V型 小体的横剖面夹角逐渐增大；
该小水线面双体无人艇上还设置有环境感知系统、环境监测系统和智能航行系统，所述环境感知系统负责对无人艇的实时位置和目标位置进行监测，以便实现自主巡航；所述环境监测系统实现对环境情况进行监测，并能够将环境信息进行无线传输；所述智能航行系统实现对该无人艇的自动推进与控制；
所述环境感知系统、环境监测系统和智能航行系统相互配合监测与控制，所述智能航行系统包括太阳能风帆；
所述箱型连接桥(1)的横剖面为矩形，所述箱型连接桥(1)的长宽比为1.2-6：1，其舯后高度H桥和宽度B桥不变，从舯部到最前端其高度H桥逐渐下降到1/5-2/5倍的箱型连接桥最大高度，宽度B桥逐渐下降到其3/5-4/5倍的最大宽度；
所述V型小体(5)的长宽比为1.6-3.2：1、高度不大于细长片体设计水线面以上高度；两细长片体(3)几何形状及大小完全相同、其水线面形状为对称翼型并不随吃水变化、其长宽比为18-30:1、水线面以下高度不小于主浮体高度的1.8倍；两主浮体(2)几何形状及大小完全相同、其横剖面左右各为半个椭圆或半个圆形、其长宽比为7-16:1、其长高比为8-18：1；
箱型连接桥的长度与主浮体长度之比为0.9-1.1:1，主浮体长度与两细长片体间距之比为1.6-8.8:1。
2.根据权利要求1所述的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，其特征在于，所述环境感知系统至少包括GPS(10)，九轴传感器、陀螺仪，其中位于无人艇船体上的GPS确定无人艇的位置坐标及目标点的位置坐标，九轴传感器得出偏离方向角度，并与单片机中的控制程序相结合，实现无人艇的自主巡航和多种监测模式；所述环境监测系统至少包括风速风向传感器(11)、摄像装置(4)、无线收发天线(9)、水温及PH值传感器组，所述风速风向传感器(11)、摄像装置(4)、和水温及PH值传感器组所采集的信息能够通过无线收发天线(9)实现数据的实时传输。
3.根据权利要求1所述的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，其特征在于，水线面形状从底部到所述箱型连接桥(1)相连部分，所述V型小体(5)的长宽比由3.2减小到1.6。
4.根据权利要求1所述的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，其特征在于，所述智能航行系统包括推操系统、实时定位及姿态测量装置和智能控制中心及执行系统，其中，推操系统包括布置于两主浮体(2)后部的两套主推进装置、布置于上部箱型连接桥后下部吊舱装置(16)，艇体舯后部距船尾1/3处的太阳能风帆装置。
5.根据权利要求4所述的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，其特征在于，所述太阳能风帆装置包括两片小风帆(7-1)、支撑杆(7-2)、自锁滑块一(7-3)、固定在风帆上的线绳(7-4)、底部旋转电机(7-5)、数片太阳能板(7-6)、风帆上端的上碳制长杆(7-7)、轴承(7-8)、风帆下端的下碳制长杆(7-9)、风帆桁架(7-10)、自锁滑块二(7-11)和稳压器，其中，两片小风帆(7-1)的剖面呈翼型，两片小风帆(7-1)交错放置，支撑杆(7-2)的底端采用底部旋转电机(7-5)竖直连接在艇体上，所述上碳制长杆(7-7)连接在自锁滑块二(7-11)上，所述支撑杆(7-2)上设置有上下间隔布置的自锁滑块一(7-3)，所述自锁滑块一(7-3)通过线绳(7-4)与所述上碳制长杆(7-7)两端的轴承(7-8)绕接，所述两片小风帆(7-1)设置在上碳制长杆(7-7)、下碳制长杆(7-9)上，多片所述太阳能板(7-6)设置在所述两片小风帆(7-1)一侧，小风帆在收起时，顶部减速电机(7-13)转动以释放中心线绳(7-12)，自锁滑块一(7-3)、自锁滑块二(7-11)驱动与之连接的上碳制横杆(7-7)向下移动达到收缩风帆的目的；小风帆在升起时顶部减速电机(7-13)收缩中心线绳(7-12)，自锁滑块一(7-3)、自锁滑块二(7-11)驱动与之连接的上碳制横杆(7-7)向上移动达到升起风帆的目的，在风帆工作状态下，布置在风帆一侧的太阳能光伏板(7-6)将收集到的太阳能经过稳压器稳压，储存在蓄电池中，增加无人艇的续航时间。
6.根据权利要求5所述的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，其特征在于，还包括光敏元件，所述光敏元件与控制系统连接，以便通过光敏元件检测的太阳光来控制底部旋转电机(7-5)驱动角度，提高风帆利用太阳能和风能的效率。
7.根据权利要求4所述的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，其特征在于，吊舱装置包括齿轮箱(161)、螺旋桨(162)和电机(163)，所述电机(163)通过齿轮箱(161)与螺旋桨(162)驱动连接。
8.根据权利要求4所述的一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇，其特征在于，所述主推进装置包括电机(8)、万向联轴节、传动轴(12)、传动短轴(13)和螺旋桨(14)，电机(8)分别装在左侧细长片体(3)和右侧细长片体(3)的前侧，传动长轴(12)的一端与电机通过万向联轴节相连接，另一端通过万向联轴节与传动短轴(13)相连接，传动短轴(13)的端部通过轴套伸出艇外，螺旋桨(14)固定连接在传动短轴伸出艇外的端部处。
CN201811465068.1A 2018-12-03 2018-12-03 一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇 Active CN109606577B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811465068.1A CN109606577B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811465068.1A CN109606577B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109606577A CN109606577A (zh) 2019-04-12
CN109606577B true CN109606577B (zh) 2020-11-10

Family

ID=66006879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811465068.1A Active CN109606577B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109606577B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110341888A (zh) * 2019-06-25 2019-10-18 江苏科技大学 一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标
CN111284668B (zh) * 2020-03-17 2022-06-24 江苏科技大学 小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统
CN112758278A (zh) * 2020-12-25 2021-05-07 北京航空航天大学合肥创新研究院 一种快速拆装的双体无人艇试验平台
CN112572706B (zh) * 2020-12-25 2022-02-22 北京航空航天大学合肥创新研究院 一种双体无人艇
CN113266512B (zh) * 2021-05-31 2023-04-07 大连海事大学 一种太阳能风帆与自适应水流发电装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5650880A (en) * 1980-08-12 1981-05-08 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Semi-submerged catamaran
CN101708760A (zh) * 2009-12-07 2010-05-19 上海电器科学研究所（集团）有限公司 小水线面双体型高性能水域无人巡查装置
CN103723239A (zh) * 2013-12-17 2014-04-16 哈尔滨工程大学 部分气垫支撑浅吃水高速双体船
CN104369852B (zh) * 2014-10-09 2016-09-07 江苏科技大学 风帆辅助推进双体太阳能船
CN108438137A (zh) * 2018-05-16 2018-08-24 江苏科技大学 多功能救援无人驾驶五体船及其工作方法
CN207889964U (zh) * 2017-11-23 2018-09-21 香港中文大学（深圳） 一种无人帆船动力及转向装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5650880A (en) * 1980-08-12 1981-05-08 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Semi-submerged catamaran
CN101708760A (zh) * 2009-12-07 2010-05-19 上海电器科学研究所（集团）有限公司 小水线面双体型高性能水域无人巡查装置
CN103723239A (zh) * 2013-12-17 2014-04-16 哈尔滨工程大学 部分气垫支撑浅吃水高速双体船
CN104369852B (zh) * 2014-10-09 2016-09-07 江苏科技大学 风帆辅助推进双体太阳能船
CN207889964U (zh) * 2017-11-23 2018-09-21 香港中文大学（深圳） 一种无人帆船动力及转向装置
CN108438137A (zh) * 2018-05-16 2018-08-24 江苏科技大学 多功能救援无人驾驶五体船及其工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109606577A (zh) 2019-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109606577B (zh) 一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇
CN109606578B (zh) 一种海洋环境监测绿色能源小水线面改良双体无人船艇
CN109606579B (zh) 一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇
CN107878670B (zh) 小回转半径箱式连接桥远距离海水采样太阳能双体无人船
CN109018271B (zh) 一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器
CN108860454B (zh) 一种全天候长航程无人帆船设计方法
US8102070B2 (en) Float-type energy-generating system
CN109649590B (zh) 一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇
CN109591966B (zh) 一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇
CN211893589U (zh) 一种无线充电养殖船
CN108945366A (zh) 一种支持风帆推进的水中航行器
CN112960078A (zh) 一种无人帆船自动驾驶系统及其方法
CN113320655B (zh) 一种半潜式平台底部的浮箱及其设计方法
CN110341888A (zh) 一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标
CN108016573B (zh) 带可操纵翼型稳定侧体的远距离遥控海水采样太阳能无人船
CN103318385B (zh) 水翼双体船内襟翼/外襟翼联合自动控制装置
CN114408126B (zh) 一种带有柔性t型翼的三体救援无人艇及其设计方法
CN109323887A (zh) 一种多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇
CN104836521A (zh) 小水线面智能测量船太阳能电力补给系统
Furlong et al. A concept design for an ultra-long-range survey class AUV
Miller et al. Development of ARRTOO: A long-endurance, hybrid-powered, oceanographic research vessel
CN215553981U (zh) 一种用于海上牧场的绿色三体无人艇
Brizzolara et al. The second generation of unmanned surface vehicles: design features and performance predictions by numerical simulations
CN113772038A (zh) 无人艇的航行控制方法、计算机可读存储介质及无人艇
CN206561925U (zh) 一种太阳能观光三体船

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant