CN109649590B - 一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其包括上艇体和位于其下方的四个浮体、连接两者的波浪能发电系统；其中，甲板上方设有上层建筑，上层建筑上设有太阳能发电装置，上艇体装有两套对称分布的吊舱推进装置，上层建筑后方设有与主控器相连接的环境感知装置和自主或半自主航行系统，本发明综合利用多自由度的波浪能发电装置和辅助太阳能发电设备，提高了无人艇续航力，有相当的经济性，并且可以根据天气情况自主航行进行区域转移，提高了灵活性，在航行过程中可利用制动装置将浮子固定，从而保证艇体在高海况航行过程中的良好性能。

Description

一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇
技术领域
本发明涉及一种波浪能和太阳能综合发电的四体无人艇，特指一种能利用太阳能，同时浮体能多自由度利用波浪能的四体无人艇，属于船舶工程技术领域。
背景技术
小水线面四体船作为一种高性能船舶，其主要特点是能够减小阻力提高自身的快速性，并且宽大的甲板便于设备的布置。
现阶段海洋能发电装置越来越多，人们也逐渐向海洋综合发电方面来研究，既提高了发电的效率，又提高了经济性，可移动式海洋综合发电平台和发电船的出现提高了发电平台的灵活性，大幅度减少了恶劣环境对发电平台的影响。但大多不带有动力装置，必须要进行人为操控从而实现发电平台或船的移动，对于能够同时利用波浪能和太阳能为辅助能源的无人艇研究较少，而且已有的研究未能明确整套系统的布置问题。
现有波浪能发电装置只能利用一到两个自由度运动产生的波浪能，发电效率低，对于可利用三个以上的自由度的波浪能发电装置研究较少。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种既能利用太阳能又能利用多个自由度的波浪能发电，能自主进行移动的四体无人艇。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，包括：上艇体、对称地设置在上艇体前后的前后浮体和左右的左右浮体，所述前后浮体和左右浮体通过波浪能发电系统与上艇体连接成一体；所述上艇体后部装有两套对称分布的吊舱推进系统，甲板上方设有上层建筑，上层建筑上设有多块太阳能板，太阳能板通过控制器与蓄电池相连接，上层建筑后方及船舱内部设有环境感知装置和自主或半自主航行系统；
其中，所述波浪能发电系统包括多组垂荡发电装置、纵荡发电装置和摆动发电装置，所述前后浮体和左右浮体在波浪的带动下产生上下振荡运动，使得所述垂荡发电装置发电产生电能；所述前后浮体和左右浮体在波浪的带动下产生前后振荡运动，使得所述纵荡发电装置发电产生电能；所述前后浮体和左右浮体在波浪的带动下产生百度振荡运动，使得所述摆动发电装置发电产生电能；
所述垂荡发电装置、纵荡发电装置和摆动发电装置同时工作产生电能，且产生的电能经过整流桥储存连接至所述蓄电池中。
进一步，作为优选，每组所述垂荡发电装置均成对的相对对称布置，所述垂荡发电装置包括设置在甲板上的齿条定位装置、齿条，第一从动齿轮和第二从动齿轮，穿过前后浮体或左右浮体上部的光轴和制动装置，其中，所述齿条的下端穿过光轴并通过螺母固定连接在光轴上，所述齿条的上端穿过齿条定位装置上的定位槽，并与安装在所述齿条定位装置上的第一从动齿轮相啮合，所述齿条定位装置固定于甲板上，第二从动齿轮与所述第一从动齿轮啮合传动，第二从动齿轮连接至垂荡发电机，所述齿条的顶部设置有制动装置，工作状态下，前后浮体和左右浮体在波浪的带动下产生上下振荡运动，带动齿条上下运动，与齿条啮合的第一从动齿轮随之产生绕轴的旋转运动，第一从动齿轮带动第二从动齿轮转动从而带动垂荡发电机发电。
进一步，作为优选，每组所述纵荡发电装置均成对的相对对称布置，所述的纵荡发电装置包括液压装置、液压马达、刚性联轴器和纵荡发电机，所述液压装置的活塞连杆与前后浮体或左右浮体上部的光轴固定连接，所述液压装置的液压缸与液压马达通过液压油管相连，液压马达的输出端与纵荡发电机的输入端通过刚性联轴器连接，工作状态下，前后浮体和左右浮体在波浪的作用下产生前后的振荡运动，带动活塞连杆运动，使液压缸内的液压油成为高压油，高压油经过高压油管进入液压马达，带动液压马达工作，液压马达的输出轴带动纵荡发电机的输入轴旋转发电。
进一步，作为优选，每组所述摆动发电装置包括齿轮一、齿轮二、连接光轴、摆动发电机，其中，齿轮一与连接光轴固定连接，齿轮二与齿轮一相啮合，齿轮二与摆动发电机连接，齿轮二带动摆动发电机发电，工作状态下，前后浮体和左右浮体在波浪作用下产生以连接光轴为中心轴的摆动运动，前后浮体和左右浮体摆动带动齿轮二产生绕齿轮一的转动运动，进而带动摆动发电机的主轴产生转动，使得摆动发电机发电。
进一步，作为优选，所述的吊舱推进系统包括无刷直流电机、舵机、传动轴、°换向器、吊舱装置和转向齿轮组，其中，无刷直流电机与传动轴的一端采用万向节相连，传动轴另一端与°换向器的一端采用万向节相连，吊舱装置的输入轴与°换向器的另一端连接，所述舵机的输出端与所述吊舱装置之间还连接设置有转向齿轮组，工作时，所述无刷直流电机转动，并通过传动轴传递给吊舱装置，当需要改变航向时，舵机带动转向齿轮组旋转，使吊舱装置改变推进方向，无人艇改变航向。
进一步，作为优选，所述的吊舱推进系统还包括可编程自动控制器，可编程自动控制器给无刷直流电机和舵机发送控制信号。
进一步，作为优选，所述吊舱装置包括竖直轴和螺旋桨，所述竖直轴与所述螺旋桨的旋转轴相垂直布置。
进一步，作为优选，还包括设置在上层建筑后方及船舱内部的环境感知装置、自主或半自主航行系统，其中，所述环境感知装置包括风速传感器、风向传感器，自主或半自主航行系统包括微型惯性测量仪、DGPS、高精度三维电子罗盘、高精度激光测距仪、数传电台，所述风速传感器和风向传感器负责测量艇周围环境的风速和风向信息，及时传入可编程自动控制器中；微型惯性测量仪用于将艇本身的姿态信息传入可编程自动控制器中，自动控制器将传进的信息进行整合，得到当前位置的波浪信息；DGPS、三维电子罗盘将艇的实时位置和艏向角传入可编程自动控制器中，利用模糊控制，得到无人艇下一步前进的航速和航向；当无人艇前方有障碍物时，布置在船艏的激光测距仪会将障碍物与无人艇的距离信息传入可编程控制器中，由可编程自动控制器根据模糊控制规则得到无人艇所需的航行和航速信号，并分别发送给无刷直流电机和舵机，使无人艇改变航向和航速；数传电台用于实时将无人艇的位置，航速，艏向角等信息发送回岸机。
进一步，作为优选，所述四体无人艇各尺度比及各部分几何形状均是基于无人艇航行性能综合优化计算得到，具体的，上艇体L长2～4米，长宽比1.5～1.8，长高比3～5，浮体下部成鱼雷状，浮体上部成机翼型，浮体长度为0.35L～0.4L，前后两个浮体沿艇体的中横剖面对称分布，前后两个浮体的中横剖面之间的距离为0.6L～0.65L，左右两个浮体沿上艇体的中纵剖面对称分布，左右两个浮体的中横剖面与艇体中横剖面的距离为0.05L～0.15L，左右浮体中纵剖面的距离为0.7B～0.8B，浮体可相对主艇体可上下振荡、左右摆动、前后移动，其中，左右摆动角度范围为±20°，前后移动距离范围为0.02L～0.04L，上下振荡距离范围为 0.04L～0.06L。
进一步，本发明提供了一种基于性能综合优化计算波浪能和太阳能综合发电四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，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，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，方形系数Cb，水线长Lw，水线面系数Cw，四体船片体间距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、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：
Figure BDA0001889690150000041
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，
Figure BDA0001889690150000042
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，
Figure BDA0001889690150000043
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889690150000044
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、粒子群相结合的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：
本发明可在海洋上利用波浪能和太阳能发电，并且可以根据天气情况自主航行进行区域转移，在航行过程中可利用制动装置将浮子固定，从而保证艇在航行过程中的性能。本发明综合利用多自由度的波浪能发电装置和辅助太阳能发电设备，提高了无人艇续航力，有相当的经济性，并且可以根据天气情况自主航行进行区域转移，提高了灵活性，在航行过程中可利用制动装置将浮子固定，从而保证艇体在高海况航行过程中的良好性能。
附图说明
图1是本发明船体部分俯视图简图；
图2是本发明船体部分侧视图简图；
图3是本发明整船的俯视图；
图4是浮体垂荡发电系统的结构图；
图5是浮体纵荡和摆动发电系统的局部结构图；
图6是吊舱推进系统的构成图。
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1-6所示，一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，包括：上艇体1、对称地设置在上艇体1前后的前后浮体2和左右的左右浮体3，所述前后浮体2和左右浮体3通过波浪能发电系统4与上艇体1连接成一体；所述上艇体1后部装有两套对称分布的吊舱推进系统5，甲板6上方设有上层建筑7，上层建筑7上设有多块太阳能板8，太阳能板8通过控制器12与蓄电池13相连接，上层建筑7后方及船舱内部设有环境感知装置9和自主或半自主航行系统10；其中，所述波浪能发电系统4包括多组垂荡发电装置41、纵荡发电装置42和摆动发电装置43，所述前后浮体2和左右浮体3在波浪的带动下产生上下振荡运动，使得所述垂荡发电装置41发电产生电能；所述前后浮体2和左右浮体3在波浪的带动下产生前后振荡运动，使得所述纵荡发电装置42发电产生电能；所述前后浮体2和左右浮体3在波浪的带动下产生百度振荡运动，使得所述摆动发电装置43发电产生电能；所述垂荡发电装置41、纵荡发电装置42和摆动发电装置43同时工作产生电能，且产生的电能经过整流桥44储存连接至所述蓄电池13中。
在本实施例中，如图4，每组所述垂荡发电装置41均成对的相对对称布置，所述垂荡发电装置41包括设置在甲板6上的齿条定位装置411、齿条412，第一从动齿轮413和第二从动齿轮414，穿过前后浮体2或左右浮体3上部的光轴415和制动装置416，其中，所述齿条412的下端穿过光轴415并通过螺母417固定连接在光轴415上，所述齿条412的上端穿过齿条定位装置411上的定位槽，并与安装在所述齿条定位装置411上的第一从动齿轮413相啮合，所述齿条定位装置411固定于甲板6上，第二从动齿轮414与所述第一从动齿轮 413啮合传动，第二从动齿轮414连接至垂荡发电机418，所述齿条412的顶部设置有制动装置416，工作状态下，前后浮体2和左右浮体3在波浪的带动下产生上下振荡运动，带动齿条412上下运动，与齿条412啮合的第一从动齿轮413随之产生绕轴的旋转运动，第一从动齿轮413带动第二从动齿轮414转动从而带动垂荡发电机418发电。
作为较佳的实施例，如图5，每组所述纵荡发电装置42均成对的相对对称布置，所述的纵荡发电装置42包括液压装置421、液压马达422、刚性联轴器423和纵荡发电机424，所述液压装置421的活塞连杆4211与前后浮体2或左右浮体3上部的光轴415固定连接，所述液压装置421的液压缸4212与液压马达422通过液压油管4213相连，液压马达422的输出端与纵荡发电机424的输入端通过刚性联轴器423连接，工作状态下，前后浮体2和左右浮体3在波浪的作用下产生前后的振荡运动，带动活塞连杆4211运动，使液压缸4212内的液压油成为高压油，高压油经过高压油管4213进入液压马达422，带动液压马达422工作，液压马达422的输出轴带动纵荡发电机424的输入轴旋转发电。
每组所述摆动发电装置43包括齿轮一431、齿轮二432、连接光轴433、摆动发电机434，其中，齿轮一431与连接光轴433固定连接，齿轮二432与齿轮一431相啮合，齿轮二432与摆动发电机434连接，齿轮二432带动摆动发电机434发电，工作状态下，前后浮体2和左右浮体3在波浪作用下产生以连接光轴433为中心轴的摆动运动，前后浮体2和左右浮体 3摆动带动齿轮二432产生绕齿轮一431的转动运动，进而带动摆动发电机434主轴产生转动，使得摆动发电机434发电。
作为更佳的实施例，如图6，所述的吊舱推进系统5包括无刷直流电机51、舵机52、传动轴54、90°换向器55、吊舱装置56和转向齿轮组57，其中，无刷直流电机51与传动轴 54的一端采用万向节53相连，传动轴54另一端与90°换向器55的一端采用万向节53相连，吊舱装置56的输入轴与90°换向器55的另一端连接，所述舵机52的输出端与所述吊舱装置56之间还连接设置有转向齿轮组57，工作时，所述无刷直流电机51转动，并通过传动轴 54传递给吊舱装置56，当需要改变航向时，舵机52带动转向齿轮组57旋转，使吊舱装置 56改变推进方向，无人艇改变航向。所述吊舱装置56包括竖直轴和螺旋桨561，所述竖直轴与所述螺旋桨561的旋转轴相垂直布置。
为了便于智能控制，所述的吊舱推进系统5还包括可编程自动控制器11，可编程自动控制器11给无刷直流电机51和舵机52发送控制信号。
如图1-3,，还包括设置在上层建筑7后方及船舱内部的环境感知装置9、自主或半自主航行系统10，其中，所述环境感知装置9包括风速传感器91、风向传感器92，自主或半自主航行系统10包括微型惯性测量仪93、DGPS101、高精度三维电子罗盘102、高精度激光测距仪103、数传电台104，所述风速传感器91和风向传感器92负责测量艇周围环境的风速和风向信息，及时传入可编程自动控制器11中；微型惯性测量仪93用于将艇本身的姿态信息传入可编程自动控制器11中，自动控制器11将传进的信息进行整合，得到当前位置的波浪信息；DGPS101、三维电子罗盘102将艇的实时位置和艏向角传入可编程自动控制器11中，利用模糊控制，得到无人艇下一步前进的航速和航向；
当无人艇前方有障碍物时，布置在船艏的激光测距仪103会将障碍物与无人艇的距离信息传入可编程控制器11中，由可编程自动控制器11根据模糊控制规则得到无人艇所需的航行和航速信号，并分别发送给无刷直流电机51和舵机52，使无人艇改变航向和航速；
数传电台104用于实时将无人艇的位置，航速，艏向角等信息发送回岸机。
另外，本发明的基于性能综合优化计算波浪能和太阳能综合发电四体无人艇的各尺度比及各部分几何形状的方法，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，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，方形系数Cb，水线长Lw，水线面系数Cw，四体船片体间距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、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：
Figure BDA0001889690150000071
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，
Figure BDA0001889690150000072
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，
Figure BDA0001889690150000081
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
Figure BDA0001889690150000082
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、粒子群相结合的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：所述四体无人艇各尺度比及各部分几何形状均是基于无人艇航行性能综合优化计算得到，具体的，上艇体L长2～4 米，长宽比1.5～1.8，长高比3～5，浮体下部成鱼雷状，浮体上部成机翼型，浮体长度为 0.35L～0.4L，前后两个浮体沿艇体的中横剖面对称分布，前后两个浮体的中横剖面之间的距离为0.6L～0.65L，左右两个浮体沿上艇体的中纵剖面对称分布，左右两个浮体的中横剖面与艇体中横剖面的距离为0.05L～0.15L，左右浮体中纵剖面的距离为0.7B～0.8B，浮体可相对主艇体可上下振荡、左右摆动、前后移动，其中，左右摆动角度范围为±20°，前后移动距离范围为0.02L～0.04L，上下振荡距离范围为0.04L～0.06L。
本发明可在海洋上利用波浪能和太阳能发电，并且可以根据天气情况自主航行进行区域转移，在航行过程中可利用制动装置将浮子固定，从而保证艇在航行过程中的性能。
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)

1.一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，包括：上艇体(1)、对称地设置在上艇体(1)前后的前后浮体(2)和左右的左右浮体(3)，所述前后浮体(2)和左右浮体(3)通过波浪能发电系统(4)与上艇体(1)连接成一体；所述上艇体(1)后部装有两套对称分布的吊舱推进系统(5)，甲板(6)上方设有上层建筑(7)，上层建筑(7)上设有多块太阳能板(8)，太阳能板(8)通过控制器(12)与蓄电池(13)相连接，上层建筑(7)后方及船舱内部设有环境感知装置(9)和自主或半自主航行系统(10)；
其中，所述波浪能发电系统(4)包括多组垂荡发电装置(41)、纵荡发电装置(42)和摆动发电装置(43)，所述前后浮体(2)和左右浮体(3)在波浪的带动下产生上下振荡运动，使得所述垂荡发电装置(41)发电产生电能；所述前后浮体(2)和左右浮体(3)在波浪的带动下产生前后振荡运动，使得所述纵荡发电装置(42)发电产生电能；所述前后浮体(2)和左右浮体(3)在波浪的带动下产生摆动运动，使得所述摆动发电装置(43)发电产生电能；
所述垂荡发电装置(41)、纵荡发电装置(42)和摆动发电装置(43)同时工作产生电能，且产生的电能经过整流桥(44)储存连接至所述蓄电池(13)中。
2.根据权利要求1所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，每组所述垂荡发电装置(41)均成对的对称布置，所述垂荡发电装置(41)包括设置在甲板(6)上的齿条定位装置(411)、齿条(412)，第一从动齿轮(413)和第二从动齿轮(414)，穿过前后浮体(2)或左右浮体(3)上部的光轴(415)和制动装置(416)，其中，所述齿条(412)的下端穿过光轴(415)并通过螺母(417)固定连接在光轴(415)上，所述齿条(412)的上端穿过齿条定位装置(411)上的定位槽，并与安装在所述齿条定位装置(411)上的第一从动齿轮(413)相啮合，所述齿条定位装置(411)固定于甲板(6)上，第二从动齿轮(414)与所述第一从动齿轮(413)啮合传动，第二从动齿轮(414)连接至垂荡发电机(418)，所述齿条(412)的顶部设置有制动装置(416)，工作状态下，前后浮体(2)和左右浮体(3)在波浪的带动下产生上下振荡运动，带动齿条(412)上下运动，与齿条(412)啮合的第一从动齿轮(413)随之产生绕轴的旋转运动，第一从动齿轮(413)带动第二从动齿轮(414)转动从而带动垂荡发电机(418)发电。
3.根据权利要求1所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，每组所述纵荡发电装置(42)均成对的对称布置，所述的纵荡发电装置(42)包括液压装置(421)、液压马达(422)、刚性联轴器(423)和纵荡发电机(424)，所述液压装置(421)的活塞连杆(4211)与前后浮体(2)或左右浮体(3)上部的光轴(415)固定连接，所述液压装置(421) 的液压缸(4212)与液压马达(422)通过液压油管(4213)相连，液压马达(422)的输出端与纵荡发电机(424)的输入端通过刚性联轴器(423)连接，工作状态下，前后浮体(2)和左右浮体(3)在波浪的作用下产生前后的振荡运动，带动活塞连杆(4211)运动，使液压缸(4212)内的液压油成为高压油，高压油经过高压油管(4213)进入液压马达(422)，带动液压马达(422)工作，液压马达(422)的输出轴带动纵荡发电机(424)的输入轴旋转发电。
4.根据权利要求1所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，每组所述摆动发电装置(43)包括齿轮一(431)、齿轮二(432)、连接光轴(433)、摆动发电机(434)，其中，齿轮一(431)与连接光轴(433)固定连接，齿轮二(432)与齿轮一(431)相啮合，齿轮二(432)与摆动发电机(434)连接，齿轮二(432)带动摆动发电机(434)发电，工作状态下，前后浮体(2)和左右浮体(3)在波浪作用下产生以连接光轴(433)为中心轴的摆动运动，前后浮体(2)和左右浮体(3)摆动带动齿轮二(432)产生绕齿轮一(431)的转动运动，进而带动摆动发电机(434)主轴产生转动，使得摆动发电机(434)发电。
5.根据权利要求1所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，所述的吊舱推进系统(5)包括无刷直流电机(51)、舵机(52)、传动轴(54)、90°换向器(55)、吊舱装置(56)和转向齿轮组(57)，其中，无刷直流电机(51)与传动轴(54)的一端采用万向节(53)相连，传动轴(54)的另一端与90°换向器(55)的一端采用万向节(53)相连，吊舱装置(56)的输入轴与90°换向器(55)的另一端连接，所述舵机(52)的输出端与所述吊舱装置(56)之间还连接设置有转向齿轮组(57)，工作时，所述无刷直流电机(51)转动，并通过传动轴(54)传递给吊舱装置(56)，当需要改变航向时，舵机(52)带动转向齿轮组(57)旋转，使吊舱装置(56)改变推进方向，无人艇改变航向。
6.根据权利要求5所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，所述的吊舱推进系统(5)还包括可编程自动控制器(11)，可编程自动控制器(11)给无刷直流电机(51)和舵机(52)发送控制信号。
7.根据权利要求5所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，所述吊舱装置(56)包括竖直轴和螺旋桨(561)，所述竖直轴与所述螺旋桨(561)的旋转轴相垂直布置。
8.根据权利要求1所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，还包括设置在上层建筑(7)后方及船舱内部的环境感知装置(9)、自主或半自主航行系统(10)，其中，所述环境感知装置(9)包括风速传感器(91)、风向传感器(92)、微型惯性测量仪(93)；自主或半自主航行系统(10)包括微型惯性测量仪(93)、DGPS(101)、高精度三维电子罗盘(102)、高精度激光测距仪(103)、数传电台(104)，所述风速传感器(91)和风向传感器(92)负责测量艇周围环境的风速和风向信息，及时传入可编程自动控制器(11)中；
微型惯性测量仪(93)用于将艇本身的姿态信息传入可编程自动控制器(11)中，自动控制器(11)将传进的信息进行整合，得到当前位置的波浪信息；
DGPS(101)、三维电子罗盘(102)将艇的实时位置和艏向角传入可编程自动控制器(11)中，利用模糊控制，得到无人艇下一步前进的航速和航向；
当无人艇前方有障碍物时，布置在船艏的激光测距仪(103)会将障碍物与无人艇的距离信息传入可编程控制器(11)中，由可编程自动控制器(11)根据模糊控制规则得到无人艇所需的航行和航速信号，并分别发送给无刷直流电机(51)和舵机(52)，使无人艇改变航向和航速；
数传电台(104)用于实时将无人艇的位置，航速，艏向角信息发送回岸机。
9.根据权利要求1所述的一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇，其特征在于，所述四体无人艇各尺度比及各部分几何形状均是基于无人艇航行性能综合优化计算得到，具体的，上艇体长度L为2～4米，长宽比1.5～1.8，长高比3～5，浮体下部成鱼雷状，浮体上部成机翼型，浮体长度为0.35L～0.4L，前后两个浮体沿艇体的中横剖面对称分布，前后两个浮体的中横剖面之间的距离为0.6L～0.65L，左右两个浮体沿上艇体的中纵剖面对称分布，左右两个浮体的中横剖面与艇体中横剖面的距离为0.05L～0.15L，左右浮体中纵剖面的距离为0.7B～0.8B，B为上艇体宽度，浮体可相对主艇体可上下振荡、左右摆动、前后移动，其中，左右摆动角度范围为±20°，前后移动距离范围为0.02L～0.04L，上下振荡距离范围为0.04L～0.06L。
10.一种基于性能综合优化计算波浪能和太阳能综合发电四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，其用于权利要求1-9任意一项所述的波浪能和太阳能综合发电四体无人艇的计算优化，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，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，方形系数Cb，水线长Lw，水线面系数Cw，四体船片体间距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、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：
Figure FDA0002709020030000041
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，
Figure FDA0002709020030000042
式中：Rtotal航行总阻力(单位：N)；
Figure FDA0002709020030000043
排水体积(单位：m3)
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；
式中：推进系数P.C，η0螺旋桨敞水效率，ηH船身效率，ηR相对旋转效率，ηS轴系效率
f3(x)为操纵性目标函数，其表达式为，
f3(x)＝C
直线稳定性衡准系数C
f4(x)为耐波性目标函数f4(x)，其表达式如下，
Figure FDA0002709020030000044
式中：Tφ船舶固有周期、Wφ横摇固有频率、s秒的单位、I'xx船体本身惯性矩与附加惯性矩之和，
h船舶初稳性高、Δ排水量、Ixx船体本身惯性矩、Jxx附加惯性矩，
f5(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，
Figure FDA0002709020030000045
式中：Ps主机功率、KQ螺旋桨推力系数、DP螺旋桨直径、n螺旋桨转速、ρ海水密度
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、粒子群相结合的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。
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