CN109606579A - 一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇 - Google Patents

一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇 Download PDF

Info

Publication number
CN109606579A
CN109606579A CN201811465087.4A CN201811465087A CN109606579A CN 109606579 A CN109606579 A CN 109606579A CN 201811465087 A CN201811465087 A CN 201811465087A CN 109606579 A CN109606579 A CN 109606579A
Authority
CN
China
Prior art keywords
angle
attack
hydrofoil
sail
corpusculum
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.)
Granted
Application number
CN201811465087.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109606579B (zh
Inventor
汤旸
余永强
高沙沙
杨松林
张迪
顾凯
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 CN201811465087.4A priority Critical patent/CN109606579B/zh
Publication of CN109606579A publication Critical patent/CN109606579A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109606579B publication Critical patent/CN109606579B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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

Abstract

本发明公开了一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，本发明的无人艇设置了一种可自主调节角度自行收放的智能风帆及一种为解决船体在风帆作用下埋艏问题所设置的一种攻角可调水翼前部小体，经过数学建模，在现代智能优化算法遗传混沌混合算法进行优化计算下，得出了该无人艇及其各部件的最优尺寸，继而通过嵌入式智能控制系统的作用，实现海洋环境监测的功能。推进海洋环境监测的智能化、无人化，在实时数据传输准确的同时使用清洁能源提高续航能力，提高了经济效益，具有广阔的应用前景。

Description

一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇
技术领域
本发明涉及一种关于海洋环境监测的小水线面双体无人艇，属于船舶工程技术领域。
背景技术
近年来，随着海上运输方式的多样化以及人类对海洋资源的积极开发，对船舶性能的要求也逐渐发生变化。就海上运输来说，由过去只注重载荷性能和静水中快速性能而一味追求大型化和高速化的倾向，转为注重提高船舶在波浪中的性能。而小水线面型正是这样一种耐波性能极其优良，中、高速下阻力小可以完成多种使命，满足各种航海要求的新船型。由于小水线面船型具有耐波性好，兴波阻力小等突出的特点，国内外小水线面船型在军民领域都已经有了广泛应用。因此此船型已得到业界的认可，可广泛运用。
与此同时，环境效益亦成为国际社会关注的焦点。随着船舶行业的不断发展与完善，船舶运输行业蒸蒸日上，而数以亿计的原油用于船舶的运行，根据国际油轮船东协会研究报告显示，航运业每年排放超过12亿吨二氧化碳，约占全球总排放量的6％。各主要航运国家和地区开始高度重视发展安全、环保、节能的“绿色船舶”、倡导“绿色航运”。
中国船级社(CCS)提出的“绿色船舶计划(G-VCBP)”是以国际国内节能、环保、减排等政策研究为基础，针对航运造船界日益增长的节能环保需求，推行的新造和现有船舶节能减排管理和技术解决方案。旨在促进造船业、航运业和相关制造业优化升级，促进航运企业对新建船舶和现有船舶采取有效的技术与管理措施，在安全的前提下实现船舶低消耗、低排放、低污染和工作环境舒适的目标。因此采用可再生的、绿色无污染的如太阳能、风能等能源为船舶供能便是首选方案。
时代在进步，科技在发展。在科技日新月异的时代，船舶行业也得跟上时代的步伐。将智能操作系统带上无人艇是如今的潮流。根据事先输入的命令，随着周围环境的变化，无人艇自身系统会自行运算，得出新命令，并且自动运行。从而实现自主避障，数据采集，伸缩机械构件等功能。
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，本项目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，本发明的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，包括：上部箱型连接桥和上部箱型连接桥两侧分别对称分布的两个小片体，两个小片体呈流线体形状，其特征在于，其还包括从该无人船艇的船体两侧向外伸出以增加浮力的板状结构，所述上部箱型连接桥的下部位于两个小片体之间的前部具有攻角可调水翼V型小体，所述攻角可调水翼前部小体的中心下端连接设置有攻角可调水翼；当风帆受到推力过大时，会使无人船艇的船头下浸入水，此时经过所述攻角可调水翼进行攻角角度的调整，以增加浮力同时增加船舶航行的稳性；而当船头下浸过深时，前部所设置的攻角可调水翼V型小体会伸入水以增加浮力，使得船艏上浮回复正常航行状态；该无人船艇还设置有位于上船体的环境监测系统及智能控制系统的集成系统，以便于对环境进行监测与智能控制。所述攻角可调水翼V型小体上设有转轴，所述攻角可调水翼通过转轴来调节水翼的攻角，增加船体的浮力，使船头上浮恢复正常航行状态。
进一步，作为优选，所述攻角可调水翼包括支柱和水翼，所述支柱的上端连接至所述攻角可调水翼V型小体上设有转轴上，所述支柱的下端连接设置在所述水翼的上端面的中心位置，所述支柱与所述水翼垂直布置。
进一步，作为优选，所述上部箱型连接桥1的横剖面为等腰梯形、其上下底长度之比为1.05-1.2:1，上部箱型连接桥长宽比为1.5-6.2:1、其舯前1/3长度和舯后2/3长度为等横剖面平行中体、从舯后2/3到最后端其高度H桥逐渐下降到3/4-8/9*H桥最大值和宽度B桥逐渐下降到其6/7-11/12*B桥最大值、从舯前1/3到最前端其高度H桥逐渐下降到1/4-1/2*H桥最大值和宽度B桥逐渐下降到其4/5-7/8*B桥最大值，其中，上部箱型连接桥的长为L桥，宽度B桥为上下底长度几何平均值的最大值具有攻角可调水翼的V型小体长宽比为(1.5-3.1):1、固接于其正下方的T型水翼其支柱长度等于细长片体水下高度的1/2-2/3、支柱剖面为对称翼型及厚度之比小于0.15:1、支柱长宽之比不小于4:1、水翼长度不大于两细长片体间距的1/2及其剖面为近似弓形、水翼长宽之比不小于5.5:1；V型小体高度不大于细长片体设计水线面以上高度、剖面形状为V形；两细长片体几何形状及大小完全相同、其水线面形状为近似对称翼型并不随吃水变化、其长宽比为16-29:1、水线面以下高度不小于主浮体高度的1.9倍；两主浮体外侧半体及内侧半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近似圆形、其长宽比为8-17:1、其长高比为8.2-18.5:1；该船艇的主浮体的长度L主浮体为12.6-60.6米，L桥与L主浮体之比为(0.95-1.12):1，L主浮体与两细长片体间距之比为1.6-5.8:1。
进一步，作为优选，所述环境监测系统包括水面环境监测系统和水质监测系统，其中，水面环境监测系统包括风速传感器、风向传感器、摄像头、GPS、天线，所述水质监测系统包括水温传感器、PH值传感器。
进一步，作为优选，所述智能控制系统的集成系统包括位置及姿态感知系统、智能航行系统、电传动装置、太阳能风帆和智能避碰系统，其中，所述位置及姿态感知系统对船体的位置及姿态进行感测，所述智能航行系统对船体的运行进行智能控制，所述电传动装置用于对船体的运动进行驱动，所述智能避碰系统实现船体的避碰功能；其中，所述智能避碰系统包括摄像头、激光避碰装置及避碰报警装置，其中，所述摄像头可以实时监控水面状况，一旦发现异常状况在人工干预下及时做出相应的应对措施，且设置在船艏的激光避碰装置发射激光，当接收到反射回的激光信号时，触发避碰报警装置，使得无人艇及时避碰。
进一步，作为优选，所述位置及姿态感知系统包括GPS模块和单片机，所述GPS模块设置于船艏，通过GPS信号传输，将无人艇的实时定位信息通过信号传输系统发送到主机以便实时监测无人艇所处位置，且通过安于船体内部且预先设置好系统的单片机，由外部所智能传感器收集外界环境信息，经过处理转成电信号传回，经过单片机分析计算可得知当前的姿态与位置；所述智能航行系统包括GPS、九轴传感器以及单片机，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。
进一步，作为优选，所述电传动装置包括电机、万向联轴节、传动轴和螺旋桨，其中，电机分别安装在左侧的小片体的左前上侧和右侧的小片体的右前上侧，传动长轴的一端与电机通过万向联轴节相连接，另一端与传动短轴通过万向联轴节相连接，传动短轴的另一端通过轴套伸出艇外，螺旋桨固定连接在传动短轴伸出艇外的端部处，通过电机驱动长轴带动螺旋桨转动实现船舶的推进。
进一步，作为优选，所述太阳能风帆包括太阳能风帆支撑杆、两片风帆、支撑杆减速电机、长杆减速电机、底部电机、数片太阳能光伏板、风帆上的线绳、钢制长杆和轴承，其中，两片风帆交错放置构成整个风帆主体结构，太阳能风帆支撑杆的底端采用底部电机竖直连接在艇体上，所述钢制长杆的两端均设置有轴承，所述太阳能风帆支撑杆上设置有上下间隔布置的支撑杆减速电机，所述太阳能风帆支撑杆上位于两个支撑杆减速电机之间还设置有间隔布置的两个长杆减速电机，所述支撑杆减速电机、长杆减速电机均通过线绳与所述钢制长杆两端的轴承绕接，所选用的线绳具有一定刚性，在轴承和钢制长杆之间起连接、固定作用，两片所述风帆设置在钢制长杆以及线绳上，多片所述太阳能光伏板设置在所述风帆一侧，风帆在收起状态时，两个长杆减速电机同时转动以收缩固定在风帆上的线绳，拉动外侧风帆上下端的钢制长杆，交错收缩将风帆收起；两风帆于横向重叠状态收起时，两个长杆减速电机在单片机控制下以相同速率同时转动以收缩固定在风帆上的线绳，拉动外侧风帆上下端的钢制长杆，交错收缩将风帆收起；在风帆工作状态下，布置在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，并通过光敏元件与支撑杆的底部电机，接入控制系统，以便通过底部电机调节太阳能光伏板的角度来适应太阳的角度。
此外，本发明提供了一种基于性能综合优化计算具有攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇的各尺度比及各部分几何形状的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)设计变量
优化设计变量包括：潜体长度Lh，潜体直径D1，支柱长度Ls，支柱最大宽度ts，船长L，船宽B，吃水T，浮心纵向位置Lcp，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，水翼展长ZC，水翼弦长XC，水翼初始攻角α，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；
(2)优化数学模型
将无人艇的快速性、操纵性、耐波性和绿色能源系统四个子系统的目标函数综合起来，具体采用幂指数乘积的形式构成性能综合优化总目标函数f(x)如下：
其中：f1(x)为快速性目标函数中阻力方面的子目标函数，其表达式为，
f1(x)＝Rtotal/▽
f2(x)为快速性目标函数中推力方面的子目标函数，其表达式为，
f2(x)＝P.C＝ηHηRηSη0。
f3(x)为操纵性目标函数，其表达式为，
f3(x)＝C
f4(x)为耐波性目标函数f4(x)，其表达式如下，
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
式中：α1,α2,α3,α4,α5分别为无人艇快速性、操纵性、耐波性和绿色能源系统的权重，且满足α1×α2×α3×α4×α5＝1。
(3)约束条件
约束条件包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、翼航时升力约束、螺旋桨需满足空泡约束、初稳性高约束、横摇周期约束、太阳能布置面积与风帆之间的约束；
将上述的设计变量、约束条件和目标函数构成综合优化数学模型，结合现代智能优化算法遗传混沌混合算法进行优化计算，最终得出其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，在控制系统的作用下，其具有多种监测模式，可灵活完成一系列监测任务，并配合智能避碰系统，有利于增加无人艇工作时的安全性；而其配备的太阳能风帆，与当今市面上已存在的风帆相比，具有智能系统，可实现风帆自主转向，自动收放风帆等功能，以实现能源在最大程度上的利用，故此发明亦具有广阔的市场前景。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是本发明的船侧视图简图；
图2是本发明船体的俯视图；
图3-1是本发明船艏1/4处的剖面图；
图3-2是本发明船艏处的剖视图；
图4-1是图3-1在A-A处的剖面图；
图4-2是图3-1在B-B处的剖面图；
图5是本发明的太阳能风帆简图。
图中各标号含义：
主体1、小片体2、板状结构3、电机4、万向联轴节5、传动轴6、螺旋桨7、攻角可调水翼8、前部小体9、太阳能风帆10、舵机11、天线12、风速风向传感器13、摄像头14、激光避碰装置14-1、避碰报警装置14-2、环境监测系统及智能控制系统的集成系统15、GPS15-1、九轴传感器15-2、单片机15-3、支柱8-1、水翼8-2、小体9-1、风帆10-1、风帆支撑杆10-2、支撑杆减速电机10-3、长杆减速电机10-4、底部电机10-5、太阳能光伏板10-6、线绳10-7、钢制长杆10-8、轴承10-9。
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，一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，包括：上部箱型连接桥1和上部箱型连接桥1两侧分别对称分布的两个小片体2，两个小片体2呈流线体形状，其特征在于，其还包括从该无人船艇的船体两侧向外伸出以增加浮力的板状结构3，在本发明中，为解决风帆所受推力过大时，使船头下浸入水这一问题，所述上部箱型连接桥1的下部位于两个小片体2之间的前部具有攻角可调水翼V型小体9，所述攻角可调水翼前部小体9的中心下端连接设置有攻角可调水翼8；
当风帆受到推力过大时，会使无人船艇的船头下浸入水，此时经过所述攻角可调水翼8进行攻角角度的调整，以增加浮力同时增加船舶航行的稳性；而当船头下浸过深时，前部所设置的攻角可调水翼V型小体9会伸入水以增加浮力，使得船艏上浮回复正常航行状态；该无人船艇还设置有位于上船体的环境监测系统及智能控制系统的集成系统15，以便于对环境进行监测与智能控制。
在本实施例中，所述攻角可调水翼V型小体9上设有转轴，所述攻角可调水翼8通过转轴来调节水翼的攻角，增加船体的浮力，使船头上浮恢复正常航行状态。所述攻角可调水翼8包括支柱8-1和水翼8-2，所述支柱8-1的上端连接至所述攻角可调水翼V型小体9上设有转轴上，所述支柱8-1的下端连接设置在所述水翼8-2的上端面的中心位置，所述支柱8-1与所述水翼8-2垂直布置
本发明的具有攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇的各尺度比及各部分几何形状，采用以下方法进行优化计算，该方法包括以下步骤：
(1)设计变量
优化设计变量包括：潜体长度Lh，潜体直径D1，支柱长度Ls，支柱最大宽度ts，船长L，船宽B，吃水T，浮心纵向位置Lcp，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，水翼展长ZC，水翼弦长XC，水翼初始攻角α，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；
(2)优化数学模型
将无人艇的快速性、操纵性、耐波性和绿色能源系统四个子系统的目标函数综合起来，具体采用幂指数乘积的形式构成性能综合优化总目标函数f(x)如下：
其中：f1(x)为快速性目标函数中阻力方面的子目标函数，其表达式为，
f1(x)＝Rtotal/▽
f2(x)为快速性目标函数中推力方面的子目标函数，其表达式为，
f2(x)＝P.C＝ηHηRηSη0。
f3(x)为操纵性目标函数，其表达式为，
f3(x)＝C
f4(x)为耐波性目标函数f4(x)，其表达式如下，
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
式中：α1,α2,α3,α4,α5分别为无人艇快速性、操纵性、耐波性和绿色能源系统的权重，且满足α1×α2×α3×α4×α5＝1。
(3)约束条件
约束条件包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、翼航时升力约束、螺旋桨需满足空泡约束、初稳性高约束、横摇周期约束、太阳能布置面积与风帆之间的约束；
将上述的设计变量、约束条件和目标函数构成综合优化数学模型，结合现代智能优化算法遗传混沌混合算法进行优化计算，最终得出其尺度及各部分几何形状。
利用以上方法优化计算得到的各部分几何形状及其尺寸具体为：所述上部箱型连接桥1的横剖面为等腰梯形、其上下底长度之比为1.05-1.2:1，上部箱型连接桥长宽比为1.5-6.2:1、其舯前1/3长度和舯后2/3长度为等横剖面平行中体、从舯后2/3到最后端其高度H桥逐渐下降到3/4-8/9*H桥最大值和宽度B桥逐渐下降到其6/7-11/12*B桥最大值、从舯前1/3到最前端其高度H桥逐渐下降到1/4-1/2*H桥最大值和宽度B桥逐渐下降到其4/5-7/8*B桥最大值，其中，上部箱型连接桥的长为L桥，宽度B桥为上下底长度几何平均值的最大值；具有攻角可调水翼的V型小体长宽比为(1.5-3.1):1、固接于其正下方的T型水翼其支柱长度等于细长片体水下高度的1/2-2/3、支柱剖面为对称翼型及厚度之比小于0.15:1、支柱长宽之比不小于4:1、水翼长度不大于两细长片体间距的1/2及其剖面为近似弓形、水翼长宽之比不小于5.5:1；V型小体高度不大于细长片体设计水线面以上高度、剖面形状为V形；
两细长片体几何形状及大小完全相同、其水线面形状为近似对称翼型并不随吃水变化、其长宽比为16-29:1、水线面以下高度不小于主浮体高度的1.9倍；两主浮体外侧半体及内侧半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近似圆形、其长宽比为8-17:1、其长高比为8.2-18.5:1；该船艇的主浮体的长度L主浮体为12.6-60.6米，L桥与L主浮体之比为(0.95-1.12):1，L主浮体与两细长片体间距之比为1.6-5.8:1。
在本实施例中，所述环境监测系统包括水面环境监测系统和水质监测系统，其中，水面环境监测系统包括风速传感器、风向传感器、摄像头、GPS、天线，所述水质监测系统包括水温传感器、PH值传感器。
作为较佳的实施例，所述智能控制系统的集成系统15包括位置及姿态感知系统、智能航行系统、电传动装置、太阳能风帆10和智能避碰系统，其中，所述位置及姿态感知系统对船体的位置及姿态进行感测，所述智能航行系统对船体的运行进行智能控制，所述电传动装置用于对船体的运动进行驱动，所述智能避碰系统实现船体的避碰功能；其中，所述智能避碰系统包括摄像头14、激光避碰装置14-1及避碰报警装置14-2，其中，所述摄像头14可以实时监控水面状况，一旦发现异常状况在人工干预下及时做出相应的应对措施，且设置在船艏的激光避碰装置14-1发射激光，当接收到反射回的激光信号时，触发避碰报警装置14-2，使得无人艇及时避碰。
此外，所述位置及姿态感知系统包括GPS模块和单片机15-3，所述GPS模块设置于船艏，通过GPS信号传输，将无人艇的实时定位信息通过信号传输系统发送到主机以便实时监测无人艇所处位置，且通过安于船体内部且预先设置好系统的单片机15-3，由外部所智能传感器收集外界环境信息，经过处理转成电信号传回，经过单片机分析计算可得知当前的姿态与位置；所述智能航行系统包括GPS15-1、九轴传感器15-2以及单片机15-3，其中位于无人艇船体上的GPS15-1确定无人艇的位置坐标及目标点的位置坐标，九轴传感器15-2得出偏离方向角度，并与单片机15-3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。
作为更佳的实施例，所述电传动装置包括电机4、万向联轴节5、传动轴6和螺旋桨7，其中，电机4分别安装在左侧的小片体的左前上侧和右侧的小片体的右前上侧，传动长轴6的一端与电机4通过万向联轴节5相连接，另一端与传动短轴6通过万向联轴节5相连接，传动短轴6的另一端通过轴套伸出艇外，螺旋桨7固定连接在传动短轴6伸出艇外的端部处，通过电机4驱动长轴6带动螺旋桨7转动实现船舶的推进。
如图5，在本发明中，为了减轻电机负担，减少螺旋桨损耗，故设置此智能风帆，所述太阳能风帆10包括太阳能风帆支撑杆10-2、两片风帆10-1、支撑杆减速电机10-3、长杆减速电机10-4、底部电机10-5、数片太阳能光伏板10-6、风帆上的线绳10-7、钢制长杆10-8和轴承10-9，其中，两片风帆10-1交错放置构成整个风帆主体结构，太阳能风帆支撑杆10-2的底端采用底部电机10-5以实现风帆整体转动，所述钢制长杆10-8的两端均设置有轴承10-9，所述太阳能风帆支撑杆10-2上设置有上下间隔布置的支撑杆减速电机10-3，所述太阳能风帆支撑杆10-2上位于两个支撑杆减速电机10-3之间还设置有间隔布置的两个长杆减速电机10-4，所述支撑杆减速电机10-3、长杆减速电机10-4均通过线绳10-7与所述钢制长杆10-8两端的轴承10-9绕接，两片所述风帆设置在钢制长杆10-8以及线绳上，多片所述太阳能光伏板10-6设置在所述风帆10-1一侧，风帆在收起状态时，两个长杆减速电机同时转动以收缩固定在风帆上的线绳10-7，拉动外侧风帆上下端的钢制长杆，交错收缩将风帆收起；在风帆工作状态下，布置在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，并通过光敏元件与支撑杆的底部电机，接入控制系统，以便通过底部电机调节太阳能光伏板的角度来适应太阳的角度。
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 (10)

1.一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，包括：上部箱型连接桥(1)和上部箱型连接桥(1)两侧分别对称分布的两个小片体(2)，两个小片体(2)呈流线体形状，其特征在于，其还包括从该无人船艇的船体两侧向外伸出以增加浮力的板状结构(3)，所述上部箱型连接桥(1)的下部位于两个小片体(2)之间的前部具有攻角可调水翼V型小体(9)，所述攻角可调水翼前部小体(9)的中心下端连接设置有攻角可调水翼(8)；
当风帆受到推力过大时，会使无人船艇的船头下浸入水，此时经过所述攻角可调水翼(8)进行攻角角度的调整，以增加浮力同时增加船舶航行的稳性；
而当船头下浸过深时，前部所设置的攻角可调水翼V型小体(9)会伸入水以增加浮力，使得船艏上浮回复正常航行状态；
该无人船艇还设置有位于上船体的环境监测系统及智能控制系统的集成系统(15)，以便于对环境进行监测与智能控制。
2.根据权利要求1所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述攻角可调水翼V型小体(9)上设有转轴，所述攻角可调水翼(8)通过转轴来调节水翼的攻角，增加船体的浮力，使船头上浮恢复正常航行状态。
3.根据权利要求2所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述攻角可调水翼(8)包括支柱(8-1)和水翼(8-2)，所述支柱(8-1)的上端连接至所述攻角可调水翼V型小体(9)上设有转轴上，所述支柱(8-1)的下端连接设置在所述水翼(8-2)的上端面的中心位置，所述支柱(8-1)与所述水翼(8-2)垂直布置。
4.根据权利要求2所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述上部箱型连接桥(1)的横剖面为等腰梯形、其上下底长度之比为(1.05-1.2):1，上部箱型连接桥长宽比为(1.5-6.2):1、其舯前1/3长度和舯后2/3长度为等横剖面平行中体、从舯后2/3到最后端其高度H桥逐渐下降到3/4-8/9*H桥最大值和宽度B桥逐渐下降到其6/7-11/12*B桥最大值、从舯前1/3到最前端其高度H桥逐渐下降到1/4-1/2*H桥最大值和宽度B桥逐渐下降到其4/5-7/8*B桥最大值，其中，上部箱型连接桥的长为L桥，宽度B桥为上下底长度几何平均值的最大值；
具有攻角可调水翼的V型小体长宽比为(1.5-3.1):1、固接于其正下方的T型水翼其支柱长度等于细长片体水下高度的1/2-2/3、支柱剖面为对称翼型及厚度之比小于0.15:1、支柱长宽之比不小于4:1、水翼长度不大于两细长片体间距的1/2及其剖面为近似弓形、水翼长宽之比不小于5.5:1；
V型小体高度不大于细长片体设计水线面以上高度、剖面形状为V形；
两细长片体几何形状及大小完全相同、其水线面形状为近似对称翼型并不随吃水变化、其长宽比为(16-29):1、水线面以下高度不小于主浮体高度的1.9倍；
两主浮体外侧半体及内侧半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近似圆形、其长宽比为(8-17):1、其长高比为(8.2-18.5):1；
该船艇的主浮体的长度L主浮体为12.6-60.6米，L桥与L主浮体之比为(0.95-1.12):1，L主浮体与两细长片体间距之比为(1.6-5.8):1。
5.根据权利要求1所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述环境监测系统包括水面环境监测系统和水质监测系统，其中，水面环境监测系统包括风速传感器、风向传感器、摄像头、GPS、天线，所述水质监测系统包括水温传感器、PH值传感器。
6.根据权利要求1所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述智能控制系统的集成系统(15)包括位置及姿态感知系统、智能航行系统、电传动装置、太阳能风帆(10)和智能避碰系统，其中，所述位置及姿态感知系统对船体的位置及姿态进行感测，所述智能航行系统对船体的运行进行智能控制，所述电传动装置用于对船体的运动进行驱动，所述智能避碰系统实现船体的避碰功能；其中，
所述智能避碰系统包括摄像头(14)、激光避碰装置(14-1)及避碰报警装置(14-2)，其中，所述摄像头(14)可以实时监控水面状况，一旦发现异常状况在人工干预下及时做出相应的应对措施，且设置在船艏的激光避碰装置(14-1)发射激光，当接收到反射回的激光信号时，触发避碰报警装置(14-2)，使得无人艇及时避碰。
7.根据权利要求6所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述位置及姿态感知系统包括GPS模块和单片机(15-3)，所述GPS模块设置于船艏，通过GPS信号传输，将无人艇的实时定位信息通过信号传输系统发送到主机以便实时监测无人艇所处位置，且通过安于船体内部且预先设置好系统的单片机(15-3)，由外部所智能传感器收集外界环境信息，经过处理转成电信号传回，经过单片机分析计算可得知当前的姿态与位置；
所述智能航行系统包括GPS(15-1)、九轴传感器(15-2)以及单片机(15-3)，其中位于无人艇船体上的GPS(15-1)确定无人艇的位置坐标及目标点的位置坐标，九轴传感器(15-2)得出偏离方向角度，并与单片机(15-3)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。
8.根据权利要求6所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述电传动装置包括电机(4)、万向联轴节(5)、传动轴(6)和螺旋桨(7)，其中，电机(4)分别安装在左侧的小片体的左前上侧和右侧的小片体的右前上侧，传动长轴(6)的一端与电机(4)通过万向联轴节(5)相连接，另一端与传动短轴(6)通过万向联轴节(5)相连接，传动短轴(6)的另一端通过轴套伸出艇外，螺旋桨(7)固定连接在传动短轴(6)伸出艇外的端部处，通过电机(4)驱动长轴(6)带动螺旋桨(7)转动实现船舶的推进。
9.根据权利要求6所述的一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇，其特征在于，所述太阳能风帆(10)包括太阳能风帆支撑杆(10-2)、两片风帆(10-1)、支撑杆减速电机(10-3)、长杆减速电机(10-4)、底部电机(10-5)、数片太阳能光伏板(10-6)、风帆上的线绳(10-7)、钢制长杆(10-8)和轴承(10-9)，其中，两片风帆(10-1)交错放置构成整个风帆主体结构，太阳能风帆支撑杆(10-2)的底端采用底部电机(10-5)竖直连接在艇体上，所述钢制长杆(10-8)的两端均设置有轴承(10-9)，所述太阳能风帆支撑杆(10-2)上设置有上下间隔布置的支撑杆减速电机(10-3)，所述太阳能风帆支撑杆(10-2)上位于两个支撑杆减速电机(10-3)之间还设置有间隔布置的两个长杆减速电机(10-4)，所述支撑杆减速电机(10-3)、长杆减速电机(10-4)均通过线绳(10-7)与所述钢制长杆(10-8)两端的轴承(10-9)绕接，所选用的线绳具有一定刚性，在轴承和钢制长杆之间起连接、固定作用，两片所述风帆设置在钢制长杆(10-8)以及线绳上，多片所述太阳能光伏板(10-6)设置在所述风帆(10-1)一侧，两风帆于横向重叠状态收起时，两个长杆减速电机在单片机控制下以相同速率同时转动以收缩固定在风帆上的线绳(10-7)，拉动外侧风帆上下端的钢制长杆，交错收缩将风帆收起；在风帆工作状态下，布置在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，并通过光敏元件与支撑杆的底部电机，接入控制系统，以便通过底部电机调节太阳能光伏板的角度来适应太阳的角度。
10.一种基于性能综合优化计算具有攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇的各尺度比及各部分几何形状的方法，其特征在于，其用于权利要求1-9任意一项所述的具有攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇的计算优化，其包括以下步骤：
(1)设计变量
优化设计变量包括：潜体长度Lh，潜体直径D1，支柱长度Ls，支柱最大宽度ts，船长L，船宽B，吃水T，浮心纵向位置Lcp，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，水翼展长ZC，水翼弦长XC，水翼初始攻角α，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；
(2)优化数学模型
将无人艇的快速性、操纵性、耐波性和绿色能源系统四个子系统的目标函数综合起来，具体采用幂指数乘积的形式构成性能综合优化总目标函数f(x)如下：
其中：f1(x)为快速性目标函数中阻力方面的子目标函数，其表达式为，
f2(x)为快速性目标函数中推力方面的子目标函数，其表达式为，
f2(x)＝P.C＝ηHηRηSη0。
f3(x)为操纵性目标函数，其表达式为，
f3(x)＝C
f4(x)为耐波性目标函数f4(x)，其表达式如下，
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
式中：α1,α2,α3,α4,α5分别为无人艇快速性、操纵性、耐波性和绿色能源系统的权重，且满足α1×α2×α3×α4×α5＝1。
(3)约束条件
约束条件包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、翼航时升力约束、螺旋桨需满足空泡约束、初稳性高约束、横摇周期约束、太阳能布置面积与风帆之间的约束；
将上述的设计变量、约束条件和目标函数构成综合优化数学模型，结合现代智能优化算法遗传混沌混合算法进行优化计算，最终得出其尺度及各部分几何形状。
CN201811465087.4A 2018-12-03 2018-12-03 一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇 Active CN109606579B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811465087.4A CN109606579B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811465087.4A CN109606579B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109606579A true CN109606579A (zh) 2019-04-12
CN109606579B CN109606579B (zh) 2021-01-12

Family

ID=66006951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811465087.4A Active CN109606579B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109606579B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110733623A (zh) * 2019-11-05 2020-01-31 重庆华渝重工机电有限公司 一种运用于海上无人艇的可伸缩式风帆
CN112462020A (zh) * 2020-11-25 2021-03-09 烟台职业学院 风光互补型双体式无人水质监测船
CN112519952A (zh) * 2020-12-01 2021-03-19 江苏科技大学 一种可调节式t型水翼隐身复合船及其控制方法
CN113815792A (zh) * 2021-09-03 2021-12-21 中山大学 一种强生存力长周期智能无人航行器

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4326607A1 (en) * 2021-04-24 2024-02-28 Mario Curcio Wind-powered energy generation system for multi-hull marine vessels

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3236202A (en) * 1964-12-09 1966-02-22 Gen Dynamics Corp Water craft
US3871317A (en) * 1973-07-16 1975-03-18 Jack J Szpytman Watercraft
US4367688A (en) * 1980-12-12 1983-01-11 Godfrey Thomas B A Sailboat rig
CN1165761A (zh) * 1997-06-16 1997-11-26 王伟 低兴波高速双体船
CN2789127Y (zh) * 2005-03-02 2006-06-21 中国船舶重工集团公司第七○二研究所 浅吃水小水线面双体船船体
CN201140776Y (zh) * 2007-08-31 2008-10-29 中国舰船研究设计中心 一种扰流型船艉结构双体船
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
CN101823551A (zh) * 2010-04-30 2010-09-08 大连海事大学 襟翼斜桁四角帆
CN102105352A (zh) * 2008-07-28 2011-06-22 B·布兰特 特别是用于远洋货船、游艇等的帆系统
CN102180237A (zh) * 2011-04-21 2011-09-14 廖兴华 游动式风力发电船
CN102282065A (zh) * 2008-08-20 2011-12-14 阿斯彭动力卡塔马坦斯有限责任公司 单驱动双船体
CN203199142U (zh) * 2013-03-06 2013-09-18 中国船舶重工集团公司第七○二研究所 一种小水线面双体船构型
CN105242022A (zh) * 2015-11-02 2016-01-13 北斗天汇（上海）科技有限公司 北斗导航智能水质监测双体船
KR20160027555A (ko) * 2014-09-01 2016-03-10 현대중공업 주식회사 선박의 트림 제어 장치
CN207748001U (zh) * 2017-11-22 2018-08-21 海思特海事技术(上海)有限公司 一种双帆帆船的同步收放帆机构

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3236202A (en) * 1964-12-09 1966-02-22 Gen Dynamics Corp Water craft
US3871317A (en) * 1973-07-16 1975-03-18 Jack J Szpytman Watercraft
US4367688A (en) * 1980-12-12 1983-01-11 Godfrey Thomas B A Sailboat rig
CN1165761A (zh) * 1997-06-16 1997-11-26 王伟 低兴波高速双体船
CN2789127Y (zh) * 2005-03-02 2006-06-21 中国船舶重工集团公司第七○二研究所 浅吃水小水线面双体船船体
CN201140776Y (zh) * 2007-08-31 2008-10-29 中国舰船研究设计中心 一种扰流型船艉结构双体船
CN102105352A (zh) * 2008-07-28 2011-06-22 B·布兰特 特别是用于远洋货船、游艇等的帆系统
CN102282065A (zh) * 2008-08-20 2011-12-14 阿斯彭动力卡塔马坦斯有限责任公司 单驱动双船体
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
CN101823551A (zh) * 2010-04-30 2010-09-08 大连海事大学 襟翼斜桁四角帆
CN102180237A (zh) * 2011-04-21 2011-09-14 廖兴华 游动式风力发电船
CN203199142U (zh) * 2013-03-06 2013-09-18 中国船舶重工集团公司第七○二研究所 一种小水线面双体船构型
KR20160027555A (ko) * 2014-09-01 2016-03-10 현대중공업 주식회사 선박의 트림 제어 장치
CN105242022A (zh) * 2015-11-02 2016-01-13 北斗天汇（上海）科技有限公司 北斗导航智能水质监测双体船
CN207748001U (zh) * 2017-11-22 2018-08-21 海思特海事技术(上海)有限公司 一种双帆帆船的同步收放帆机构

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110733623A (zh) * 2019-11-05 2020-01-31 重庆华渝重工机电有限公司 一种运用于海上无人艇的可伸缩式风帆
CN110733623B (zh) * 2019-11-05 2020-09-11 重庆华渝重工机电有限公司 一种运用于海上无人艇的可伸缩式风帆
CN112462020A (zh) * 2020-11-25 2021-03-09 烟台职业学院 风光互补型双体式无人水质监测船
CN112519952A (zh) * 2020-12-01 2021-03-19 江苏科技大学 一种可调节式t型水翼隐身复合船及其控制方法
CN112519952B (zh) * 2020-12-01 2022-02-11 江苏科技大学 一种可调节式t型水翼隐身复合船及其控制方法
CN113815792A (zh) * 2021-09-03 2021-12-21 中山大学 一种强生存力长周期智能无人航行器

Also Published As

Publication number Publication date
CN109606579B (zh) 2021-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109606579A (zh) 一种攻角可调水翼前部小体的小水线面双体无人船艇
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
CN108860454B (zh) 一种全天候长航程无人帆船设计方法
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
CN109606577B (zh) 一种海洋环境监测绿色能源小水线面双体无人艇
CN104816796A (zh) 高性能小水线面双体智能测量船
CN108945366A (zh) 一种支持风帆推进的水中航行器
CN112550571B (zh) 一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器
An et al. Autonomous sailboat design: A review from the performance perspective
WO2021248268A1 (zh) 自然环境流体驱动的变构型双航态长航程海洋无人航行器
Li et al. Aerodynamic performance of a new double-flap wing sail
CN108820177A (zh) 一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法
Aage et al. Hydrodynamic manoeuvrability data of a flatfish type AUV
CN113320655B (zh) 一种半潜式平台底部的浮箱及其设计方法
Wang et al. Analysis on the Development of Wind-assisted Ship Propulsion Technology and Contribution to Emission Reduction
Zhang et al. A wave foil with passive angle of attack adjustment for wave energy extraction for ships
Rynne et al. A wind and solar-powered autonomous surface vehicle for sea surface measurements
CN204659979U (zh) 一种节能型小型无人测量船
CN116279964A (zh) 一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船
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
CN114030579B (zh) 一种无人船稳定控制方法及推进装置
CN202038436U (zh) 滑行艇自动控制横摇减摇装置
CN111284668B (zh) 小水线面双体船艇双桨吊舱智能组合操推系统
CN108973559A (zh) 一种水空两栖五体无人艇
Li et al. A new type of collapsible wing sail and its aerodynamic performance

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