CN109733544B - 一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇 - Google Patents

Abstract

一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇，属于无人艇领域。本发明包括双体船片体、波浪摆动水翼、翼舵联动机构、水翼安装板、太阳能板、风力发电机和风机支架。摆动水翼总共4片，船艏船艉各2片，沿船宽方向并列布置，这种布置方式克服了大展翼时的结构增重负担。前后水翼向船艏和船艉伸出，使得水翼利用船体在波浪中的纵摇运动，其升沉幅度大于片体艏部和艉部的升沉幅度，有效提高了水翼产生的推力。翼舵联动机构采用液压传动装置，通过限定船体左右两侧的摆动水翼的转动范围，改变两侧水翼的推力，产生推力差驱动无人艇快速转艏，当同时限定所有水翼转动使其不能产生推力时，无人艇可迅速停止，因此无人艇具有快速转艏和紧急停车的能力。

Description

一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇

技术领域

本发明属于无人艇领域，具体涉及一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇。

背景技术

无人艇是一种新型无人海洋探测平台，以小型船舶为主，具有较高的自主控制和导航能力。在军民领域逐渐展现出它的应用前景和价值，具备海洋探测、环境监控、目标侦查、通信中继等功能，因此无人艇技术的发展受到了越来越多人的关注，更多的研究学者投入到了无人艇研制工作中。

然而现阶段现已投入应用的无人艇多为柴油动力的高速艇，由于其携带能源有限，无人艇的续航力和自持力受到了极大限制，难以对大片海域进行长期大范围观测。另外，由于化石能源日渐枯竭、环境污染不断加剧、全球气候变化日趋恶劣，因此寻找可持续利用的环境友好型能源已经迫在眉睫、刻不容缓。再者，在海洋中，海洋波浪、太阳能和风广泛存在，如果无人艇能够实时捕获这三种能源，那么无人艇就能够具备极强的续航力和自持力。

通过分析目前现有的无人艇对海洋环境的综合探测能力以及人类社会对新型清洁能源的迫切需求，表明研发一种能够捕获海洋中可再生能源作为动力的无人艇意义重大。

王冬姣等人提出的公开号为CN201510143408.9的《一种双翼波浪推进远程无人艇》中在利用波浪能方面采用了艇艏和艇艉各安装一展长较大的摆动水翼的方案，虽然能够依靠自身摆动产生推力，但无法改变艇体左右两侧的推力分布，并缺乏摆动水翼的约束装置，无法实现无人艇急停。本发明采用小展长水翼，克服了大展翼时水翼结构增重负担，同时增设了水翼约束装置，能够实现无人艇急停。

金久才等人提出的公开号为CN201310034401.4的《一种海洋可再生能源驱动的无人船》中采用了风帆捕获风能的方案，并设计了一种依靠船体在波浪中做升沉运动从船底吸水再向船艉喷水的装置，依靠该装置作为无人艇推进动力。这与本发明的捕获波浪能和风能的原理不同。本发明采用安装风力发电机将风能转化为电能，并采用安装摆动水翼的方案，结构简单，易于实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇。

本发明的目的是这样实现的：

一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇，包括双体船片体1、波浪摆动水翼2、翼舵联动机构3、水翼安装板4、太阳能板5、风力发电机6和风机支架7，相关电气设备如电池、控制系统、通信系统等置于双体船片体1内部；波浪摆动水翼2安装在水翼安装板4上，翼舵联动机构3安装在双体无人艇宽度方向中部的2块水翼安装板4之间，太阳能板5安装在双体船的连接桥上，风机支架7位于太阳能板5上方，风力发电机6安装在风机支架7上。

所述波浪摆动水翼2总共4片，船艏船艉各2片，沿船宽方向并列布置，前后水翼分别沿船长方向向船艏和船艉伸出。

所述翼舵联动机构3采用液压传动机构，包括储油舱8、油泵9、油缸10、输油管11、水翼限位板12、左侧水翼油缸的两个输油阀、右侧水翼油缸的两个输油阀、油缸内部的活塞17与活塞传递运动的连杆18，储油舱8连接油泵9，油泵9通过输油管11连接油缸10，输油管11上布置有输油阀，油缸内部的活塞17通过连杆18与水翼限位板12相连。

翼舵联动机构3的安装位置在双体无人艇宽度方向中部的2块水翼安装板4之间，通过储油舱固定板19固定储油舱8，通过油泵固定板20固定油泵9和油缸10，水翼转动轴21贯穿双体无人艇宽度方向中部的2块水翼安装板并连接波浪摆动水翼2，水翼限位轴22与翼舵联动机构3对水翼转动范围进行限定，需要说明的是，左右两侧的水翼限位轴是分开的，分别控制水翼转动范围。

双体船片体1在甲板处划分了3个舱室，其中靠近片体艏部和艉部的均为锂电池舱，中间的舱室为布置控制系统的控制舱，片体顶部甲板呈拱形，且锂电池仓与控制舱比甲板顶部高，控制系统能够对油泵和输油阀进行控制。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种能够同时捕获波浪能、风能和太阳能这三种自然能源的双体无人艇，在波浪驱动方面，所述摆动水翼总共4片，船艏船艉各2片，沿船宽方向并列布置，这种布置方式克服了大展翼时的结构增重负担。前后水翼分别沿船长方向向船艏和船艉伸出一定距离，使得水翼更多利用船体在波浪中的纵摇运动，其升沉幅度大于片体艏部和艉部的升沉幅度，有效提高了水翼产生的推力。所述翼舵联动机构是一种液压传动装置，其功能是限定船体左右两侧的摆动水翼的转动范围，从而改变左右两侧水翼的推力分布，使两侧水翼产生推力差驱动无人艇快速转艏，克服了低航速下采用常规垂直舵舵效差、无人艇转艏慢的问题；当同时限定所有水翼转动使其不能产生推力时，无人艇可迅速停止，因此所述无人艇具有紧急停车的能力。所述双体船片体在静水中吃水线以下的部分的水线面较小、尾部去流段型线较长，具有较好的静水阻力性能；吃水线以上的部分的型线沿船宽方向向外扩展，增大了船体在波浪中海水对船体在垂直方向上的施力面积，使无人艇在波浪环境下具有更大的升沉和纵摇幅度，能够吸收更多的波浪能；所述双体船连接桥由平板组成，能够大面积铺设太阳能板，使无人艇在晴天环境下能够捕获充足的太阳能；所述风力发电机使无人艇在无法捕获太阳能时、例如阴天环境下捕获风能，为船体搭载的电气设备供电。通过对波浪能、太阳能和风能的综合利用，该无人艇能够在复杂环境下长航时、全天候地工作。

附图说明

图1为自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇示意图；

图2为双体船片体主视图；

图3为无人艇在波浪中运动示意图；

图4为波浪摆动水翼工作原理示意图；

图5为翼舵联动机构示意图；

图6为翼舵联动机构安装位置示意图；

图7为翼舵联动机构对摆动水翼转动范围进行限制原理图，图7(a)是无人艇转艏或急停的控制流程图，图7(b)为对摆动水翼的转动进行限制的示意图，图7(c)为对摆动水翼的转动解除限制的示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇，包括双体船片体1、波浪摆动水翼2、翼舵联动机构3、水翼安装板4、太阳能板5、风力发电机6和风机支架7。相关电气设备诸如电池、控制系统、通信系统等置于片体内部。

结合图2，根据片体的立体图可知，片体在甲板处划分了3个舱室，其中靠近片体艏部和艉部的均为锂电池舱，中间较大的舱室为布置控制系统的控制舱。根据主视图可知，片体顶部甲板呈拱形，且锂电池仓与控制舱比甲板顶部还要高出一段距离，使得甲板上浪能够迅速排除，且海水难以灌入舱室，保证了相关电子设备的安全。根据侧视图可知，片体吃水线处的水线面较小，使其静水阻力较小，而吃水线以上片体型线沿片体宽度方向向两侧延伸，宽度变大，使得片体受波浪在垂直方向上的冲击面积更大，有利于提高船体在波浪中的升沉幅度。

结合图3和图4，所述双体无人艇在海洋波浪中捕获波浪能的原理为：船体在海洋波浪的作用下会做升沉和纵摇运动，通过水翼安装板使得摆动水翼做也升沉运动。摆动水翼开始做升沉运动时，在上升过程的中，水会对摆动水翼表面产生一个垂直向下的力，这个力会产生一个绕水翼旋转轴的力矩，水翼受力矩作用向下转动产生一个攻角，而后水作用在摆动水翼表面的垂直向下的力会产生一个水平向前的分力，即推动船体前进的推力；同理，水翼在下降过程中，水会对摆动水翼表面产生一个垂直向上的力，该力产生绕水翼旋转轴的力矩，水翼受力矩作用向上转动产生攻角，而后水作用在水翼表面的垂直向上的力会再次产生一个水平向前的推力，继续推动船体航行。因此，水翼升沉运动幅度越大、升沉运动越剧烈，其产生的推力就越大。

结合图5，所述翼舵联动机构采用液压传动机构，包括储油舱8、油泵9、油缸10、输油管11、水翼限位板12、左侧水翼油缸的输油阀13与14、左侧水翼油缸的输油阀15与16、油缸内部的活塞17与活塞传递运动的连杆18。

结合图6，翼舵联动机构的安装位置在双体无人艇宽度方向中部的2块水翼安装板4之间，通过储油舱固定板19固定储油舱，通过油泵固定板20固定油泵和油缸，水翼转动轴贯穿2块水翼安装板连接摆动水翼2，水翼限位轴22与翼舵联动机构负责对水翼转动范围进行限定。需要说明的是，左右两侧的水翼限位轴是分开的，可以分别控制水翼转动范围，从而形成两侧水翼的推力差。

结合图7(a)，当无人艇需要转艏或急停时，系统接收到约束限制水翼转动的指令，控制系统于是对油泵和相关的输油阀进行控制，油泵将油输入油缸，推动活塞，活塞推动限位板移动，直至限位板移动至指定位置，整个过程结束。

结合图7(b)，水翼安装板4上布置了水翼限位槽23，当水翼转动不受限制时，水翼限位轴22在水翼转动时可到达限位槽23的最顶端和最底端。若无人艇需要对船艏方向右侧的摆动水翼的转动进行限制，则控制系统对油泵9下指令，油泵从储油舱8抽油，系统打开输油阀16，关闭其他输油阀13、14和15，通过输油管11将油输入布置在对应的水翼一侧的油缸10，油压推动油缸内的活塞17，活塞通过连杆18推动油缸外的水翼限位板12，限位板移动至最远的A位置，即可将水翼限位轴22固定在限位槽23末端，由于限位轴被卡在限位槽最末端，此时水翼不能转动。同理，若对左侧水翼的转动进行限制，则打开输油阀14，关闭其他输油阀13、15和16，油泵将油注入左侧油缸，油缸推动活塞带动限位板移动，将水翼限位轴顶在限位槽末端。

若解除右侧水翼转动限制，结合图7(c)，则打开输油阀15，关闭其他输油阀13、14和16，油泵将油从上端输入活塞另一侧，此时油压推动活塞向相反方向移动，活塞拉动水翼限位版回撤至B位置，水翼限位轴恢复自由，水翼转动限制得以解除。解除左侧水翼转动限制同理。

双体无人艇由2个片体组成的船体、波浪摆动水翼、水翼安装板、太阳能板、风力发电机和风机支架组成。其中，波浪摆动水翼总共4片，船艏船艉各2片，沿船宽方向并列布置，其作用是在波浪环境下产生向前的推力，将波浪能转化为驱动无人艇的机械能。

具体过程是：船体在海洋波浪的作用下会做升沉和纵摇运动，带动摆动水翼做升沉运动；水翼在上升过程的中，水会对摆动水翼表面产生一个垂直向下的力，形成一个绕水翼旋转轴的力矩，水翼受力矩作用向下转动产生一个攻角，而后水作用在摆动水翼表面的垂直向下的力会产生一个水平向前的分力，即推动船体前进的推力；同理，水翼在下降过程中，水会对摆动水翼表面产生一个垂直向上的力，使水翼向上转动产生攻角，而后水作用在水翼表面的力再次产生一个水平向前的推力，继续推动船体航行。因此，水翼升沉运动幅度越大、升沉运动越剧烈，其产生的推力就越大。

本发明中，前后水翼分别沿船长方向向船艏和船艉伸出一定距离，使得水翼的升沉幅度大于片体艏部和艉部的升沉幅度，水翼能够更多地捕获波浪能。另外，对于艏部和艉部的2片水翼而言，左右两侧的水翼产生的推力相同时，无人艇做直航运动；当一侧水翼转动受到限制时，两侧水翼产生推力不一致，形成推力差，进而形成转艏力矩驱动无人艇转艏。这一功能是通过翼舵联动机构实现的。

所述翼舵联动机构采用液压传动机构连接水翼限位板，当无人艇需要对某片摆动水翼的转动范围进行限制、或停止水翼转动时，控制系统对油泵下指令，油泵从储油舱抽油，调节输油阀，通过输油管将油输入布置在对应的水翼一侧的油缸，油缸内部布置一活塞，利用油压推动油缸内的活塞，活塞通过连杆推动油缸外的水翼限位板，限位板移动至最远位置，即可将水翼限位轴固定在限位槽末端。若解除水翼转动限制，则通过调节输油阀使油泵将油输入活塞另一端，油压推动活塞向相反方向移动，活塞拉动水翼限位版回撤，水翼限位轴恢复自由，水翼能够转动。通过对水翼转动的约束，使得无人艇具有急停和快速转艏的能力。

所述双体船的片体在吃水线以下的部分的水线面较小、尾部去流段型线较长，船体的兴波阻力较小、具有较好的静水阻力性能；而吃水线以上的部分的型线沿船宽方向向外扩展，增大了波浪中海水对片体在垂直方向上的施力面积，波浪对片体在垂直方向上的冲击更强，使得船体在波浪环境下能够产生更大的升沉和纵摇幅度、吸收更多的波浪能。片体顶部甲板是拱形，具有一定弧度，使得甲板上浪能够迅速排除，不会对舱室内部的电子元器件产生威胁。

所述双体船的连接桥处的甲板面积较大，铺设太阳能板面积也较大，使得船体在晴天环境下能够捕获更多的太阳能。

所述风力发电机能够使得船体在无法捕获太阳能时、例如阴天环境下捕获风能，为船体搭载的电气设备供电，弥补了太阳能板的短板，在捕获能源方面与太阳能板互补。通过对波浪能、太阳能和风能的综合利用，该无人艇能够在复杂环境下长航时、全天候地工作。

本发明提供一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇，包括双体船2个片体、双体船连接桥、波浪摆动水翼、翼舵联动机构、水翼安装板、太阳能板、风力发电机和风机支架。无人艇在海洋波浪中带动摆动水翼转动，从而使水翼产生推力驱动无人艇航行；所述摆动水翼总共4片，船艏船艉各2片，沿船宽方向并列布置，这种布置方式克服了大展翼时的结构增重负担。前后水翼分别沿船长方向向船艏和船艉伸出一定距离，使得水翼更多利用船体在波浪中的纵摇运动，其升沉幅度大于片体艏部和艉部的升沉幅度，有效提高了水翼产生的推力。所述翼舵联动机构是一种液压传动装置，其功能是限定船体左右两侧的摆动水翼的转动范围，从而改变左右两侧水翼的推力分布，使两侧水翼产生推力差驱动无人艇转艏；当同时限定所有水翼转动使其不能产生推力时，无人艇可迅速停止；因此所述无人艇具有紧急停车和快速转艏的能力。所述双体船片体在静水中吃水线以下的部分的水线面较小、尾部去流段型线较长，具有较好的静水阻力性能；吃水线以上的部分的型线沿船宽方向向外扩展，增大了船体在波浪中海水对船体在垂直方向上的施力面积，使无人艇在波浪环境下具有更大的升沉和纵摇幅度，能够吸收更多的波浪能；所述双体船连接桥由平板组成，能够大面积铺设太阳能板，使无人艇在晴天环境下能够捕获充足的太阳能；所述风力发电机使无人艇在无法捕获太阳能时、例如阴天环境下捕获风能，为船体搭载的电气设备供电。通过对波浪能、太阳能和风能的综合利用，该无人艇能够在复杂环境下长航时、全天候地工作。

Claims (1)

1.一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇，其特征在于：包括太阳能板(5)和波浪摆动水翼(2)；所述的太阳能板(5)左右两侧下方安装有片体(1)，在太阳能板(5)上方安装有风机支架(7)；所述的风机支架(7)上安装有风力发电机(6)；所述的片体(1)顶部甲板呈拱形，片体(1)在吃水线处的水线面较小，吃水线以上片体(1)型线沿片体(1)宽度方向向两侧延伸，宽度变大；所述的片体(1)的艏部和艉部均为锂电池舱，中间较大的舱室为布置控制系统的控制舱；所述的波浪摆动水翼(2)共四片，在太阳能板(5)的前后两端下方各布置两片；每片波浪摆动水翼(2)一端通过转动连杆连接至与其同侧的片体(1)，另一端通过翼舵联动机构(3)与布置在太阳能板(5)同一端的另一片波浪摆动水翼(2)连接；所述的翼舵联动机构(3)包括水翼转动轴(21)、水翼限位轴(22)和两块水翼安装板(4)；所述的水翼安装板(4)的前部开设有水翼限位槽(23)；所述的水翼限位轴(22)两端分别穿过两块水翼安装板(4)前部开设的水翼限位槽(23)，并与两侧的波浪摆动水翼(2)连接；所述的水翼转动轴(21)两端分别穿过两块水翼安装板(4)的尾部，并与两侧的波浪摆动水翼(2)连接；在由水翼转动轴(21)、水翼限位轴(22)和两块水翼安装板(4)组成的空间中布置有储油舱(8)、油泵(9)、两个油缸(10)和两块水翼限位板(12)；所述的储油舱(8)通过输油管与油泵(9)连接；所述的两个油缸(10)布置在油泵(9)的左右两侧；所述的两块水翼限位板(12)分别布置在两个油缸(10)的前方；所述的油缸(10)内部设有活塞(17)，活塞(17)通过连杆(18)与布置在油缸(10)前方的水翼限位板(12)连接；所述的油缸(10)的前端上部和后端分别通过输油管(11)与油泵连接，在输油管(11)上设有输油阀；所述的水翼限位板(12)与水翼限位轴(22)相邻。

Images