CN111776158A - 一种适应高海况的主动自扶正无人船和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应高海况的主动自扶正无人船和方法，其中，所述装置是由自扶正船体和主动自扶正系统组成，基本结构设计简单合理，易于实现。自扶正船体通过合理的重心及浮心设计，在水密完好条件下本身具有一定的自扶正功能，同时在自扶正船体内部加装主动自扶正机构，当无人船发生大角度横倾或翻扣时主动自扶正系统自动调整无人船重心位置并产生复原力矩，使无人船实现翻转复原，可以保证无人船在高海况环境下的安全、持续航行作业能力，是一种可靠、高效的无人船主动自扶正方法。

Description

一种适应高海况的主动自扶正无人船和方法

技术领域

本发明涉及无人船技术领域，更具体的说是涉及一种适应高海况的主动自扶正无人船和方法。

背景技术

随着人工智能技术的快速发展，无人船艇凭借其突出的安全性和经济性已经在能源勘探、环境监测、海洋安保巡航、军事侦察训练等领域实现了初步应用，并展示出了广阔的可发展空间。

由于无人船只需要装载相应功能的必要设备，无需为人员留置空间，同时考虑到建造成本因素，目前多数无人船在设计时多为小型船舶。然而一个不容忽视的问题是，部分无人船设计的初衷在于通过远程控制或预先规划路线，代替人工在远海、高海况环境下实施航行作业，但由于小型船舶受到风浪因素影响会产生大角横倾运动，稳定性较低，尤其是无人船遇到疾风大浪等短暂剧烈外力作用时极易发生倾覆，且一旦发生翻扣，远端控制监测人员将无法操控无人船实现扶正，最终导致无人船航行或作业被迫终止，甚至出现无人船丢失的情况，造成巨大的经济损失。

因此，如何提供一种适用各种海况环境的无人船，提升无人船全天候航行作业能力是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适应高海况的主动自扶正无人船和方法，保证无人船在高海况环境下的安全、持续航行作业，有效提升无人船在各种海况环境下的适用性，提升无人船全天候航行作业能力，研究无人船的主动自扶正方法具有巨大的应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适应高海况的主动自扶正无人船，包括：自扶正船体和主动自扶正系统；

所述自扶正船体为水密结构，且所述自扶正船体在水密完好条件下发生小于90度横倾时，静稳性臂为正；

所述主动自扶正系统包括：状态监测模块、状态信息处理模块和主动自扶正模块；

所述状态监测模块监测无人船的状态信息，并发送给所述状态信息处理模块；

所述状态信息处理模块基于所述状态信息动态计算无人船的浮心位置、最优重心位置、无人船发生不同角度横倾后通过调整所述主动自扶正模块产生的最优复原力矩及相应的重心位置，并向所述主动自扶正模块发出控制命令；

所述主动自扶正模块包括：主动自扶正机构和控制单元；所述主动自扶正机构为十字形滑台结构，包括纵轴部分、横轴部分和载重块；所述横轴部分安装在所述纵轴部分上，所述载重块安装在所述横轴部分上；所述控制单元接收所述状态信息处理模块的控制命令，并基于所述控制命令控制所述横轴部分和所述载重块移动。

优选的，所述自扶正船体上还安装有斜向后门架式中空结构的设备支架，用于装载视频监控、传感器和天线等设备。

优选的，所述纵轴部分固定连接在所述自扶正船体内部，并垂直于无人船水线面；所述横轴部分与所述纵轴部分垂直连接，并平行于无人船横剖面。

优选的，所述状态监测模块实时监测无人船的吃水位置、横倾角度和方向。

优选的，所述自扶正船体采用尖底折角V型线型；且所述自扶正船体上甲板为由船艏向船艉隆起的流线型曲面形状。

一种适应高海况的主动自扶正方法，适用于上述的一种适应高海况的主动自扶正无人船，所述方法包括：

所述状态监测模块动态监测无人船横倾角度；

若无人船发生小于90度横倾，则无人船依靠自身的自扶正能力实现扶正；

若无人船横倾角度大于90度且未发生翻扣，通过主动自扶正模块动态调整无人船重心位置，以保证无人船在不同横倾角度下均产生最优的复原力矩，当横倾角度扶正至小于90度时，主动自扶正模块恢复至初始位置，无人船依靠自身的自扶正能力实现扶正；

若无人船发生翻扣，无人船推进器停止工作，通过主动自扶正模块调整无人船重心向船底靠近船舷方向移动，从而产生最大复原力矩，无人船开始主动扶正，在主动扶正过程中，通过主动自扶正模块动态调整重心位置以保证无人船在不同横倾角度下均产生最优的复原力矩，当横倾角度扶正至小于90度时，主动自扶正模块恢复至初始位置，无人船依靠自身的自扶正能力实现扶正，无人船完全扶正后，无人船推进器恢复工作。

在主动自扶正模块调整无人船重心的过程，状态信息处理模块基于主动自扶正核心算法动态计算在不同横倾角度下无人船通过调整主动自扶正机构可产生的最优复原力矩及相应的重心位置后，控制单元控制主动自扶正机构的横轴部分沿主动自扶正机构的纵轴部分移动以及载重块沿主动自扶正机构的横轴部分移动，使无人船重心移动。

优选的，当无人船装载设备发生改变后，所述状态监测模块获取无人船正浮状态吃水位置变化情况，所述主动自扶正模块调整无人船重心位置，并设定为所述主动自扶正机构初始位置，使得无人船横倾角度小于90度时拥有最大正向静稳性力臂曲线，以保证无人船在发生小于90度横倾时拥有自扶正能力。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种适应高海况的主动自扶正无人船和方法，能够在无人船发生大角度横倾和翻扣时，自动将无人船重心调整至最优位置，实现无人船的主动自扶正，综合保证无人船在高海况环境下安全、持续航行作业能力，具备可靠高效、适用性强的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的无人船的轴测图。

图2是本发明提供的主动自扶正机构的结构示意图。

图3是本发明提供的主动自扶正机构在正浮条件下的结构示意图。

图4是本发明提供的无人船在正浮条件下的状态示意图。

图5是根据本发明提供的无人船在发生小角度横倾时的自扶正原理示意图。

图6是根据本发明提供的无人船在发生大角度横倾时的主动自扶正原理示意图。

图7是根据本发明提供的无人船在发生翻扣时的主动自扶正原理示意图。

图8是根据本发明提供例的主动自扶正方法流程图。

其中，1、自扶正船体；2、自扶正船体上甲板；3、设备支架；4、推进器；5、纵轴部分；6、横轴部分；7、载重块；8、纵向滑轨；9、横向滑轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，附图1示出了一种具有主动自扶正功能的无人船的轴测图。自扶正船体1为水密结构，采用尖底折角V型线型以降低无人船兴波阻力并兼顾了无人船的耐波性，自扶正船体上甲板2为由船艏向船艉隆起的流线型曲面形状，为无人船上搭载的设备预留空间。自扶正船体1在水密完好条件下发生小于90度横倾时静稳性臂为正，具备小于90度横倾时的自扶正能力。自扶正船体上1可固定设置有斜向后门架式中空结构的设备支架3，用于装载视频监控、传感器、天线等设备，使无人船具有功能可变更性和可拓展性，将设备支架设计成门架式中空结构可以有效降低航行方向阻力。

图2为主动自扶正机构的结构示意图，图3主动自扶正机构在正浮条件下的结构示意图。主动自扶正机构与控制单元构成主动自扶正模块，主动自扶正模块与状态监测模块、状态信息处理模块共同构成主动自扶正系统。主动自扶正机构为十字形滑台结构，纵轴部分5与自扶正船体1内部固定连接并垂直于无人船水线面，主动自扶正机构的横轴部分6与主动自扶正机构的纵轴部分5垂直连接，并平行于无人船横剖面，主动自扶正机构的横轴部分6上附有载重块7，主动自扶正机构的横轴部分6可在主动自扶正机构纵轴部分5上沿纵向滑轨8移动，载重块7可在主动自扶正机构横轴部分6上沿横向滑轨9移动。这里需要说明的是，载重块7在横轴部分6上滑动实现的方式与横轴部分6在纵轴部分5上实现的方式可以相同。

当无人船上装载的设备发生变化后，赋有主动自扶正核心算法的状态信息处理模块根据船舶吃水信息动态计算最优重心位置后，控制单元基于状态信息处理模块的命令调整主动自扶正机构的横轴部分6在主动自扶正机构的纵轴部分5上的位置，并设定为主动自扶正机构初始位置，令无人船横倾角度小于90度时，拥有最大正向静稳性力臂曲线，以保证无人船在发生小于90度横倾时拥有自扶正能力。

图4为本发明提供的具有主动自扶正功能的无人船在正浮条件下的状态示意图。当无人船处于正浮状态时，无人船浮心B位于重心G正下方，浮力FB与重力FG平衡。

图5为本发明提供的具有主动自扶正功能的无人船在发生小角度横倾时的自扶正原理示意图。当无人船发生小于90度横倾时，无人船在浮力FB和重力FG共同作用下产生复原力矩MR，且MR与横倾方向相反，无人船依靠自身的自扶正能力实现扶正。

图6为本发明提供的具有主动自扶正功能的无人船在发生大角度横倾时的主动自扶正原理示意图。当无人船横倾角度大于90度时，无人船在浮力FB和重力FG共同作用下产生复原力矩MR，且MR与横倾方向相同。状态信息处理模块基于主动自扶正核心算法计算无人船通过调整主动自扶正机构可产生的最优复原力矩及相应的重心位置G1后，控制单元基于状态信息处理模块命令控制主动自扶正机构横轴部分6由初始位置A沿主动自扶正机构纵轴部分5移动至位置A1，并控制载重块7沿主动自扶正机构横轴部分6移动至B1，使无人船重心由G移动至G1并产生与横倾方向相反的复原力矩MR1，无人船开始主动自扶正。

在主动自扶正过程中，状态信息处理模块实时计算无人船通过调整主动自扶正机构可形成的动态最优重心位置并发送调整命令，控制单元基于命令动态调整主动自扶正机构横轴部分6和载重块7的位置，以保证无人船在不同横倾角度下拥有动态最优复原力矩。当横倾角度恢复至小于90度时，主动自扶正机构横轴部分6和载重块7分别恢复至初始位置A和B，无人船依靠自身自扶正能力实现回正。

图7示出了一种具有主动自扶正功能的无人船在发生翻扣时的主动自扶正原理示意图。当无人船发生翻扣后，浮心B位于重心G正下方，浮力FB与重力FG平衡。状态信息处理模块基于主动自扶正核心算法计算无人船通过调整主动自扶正机构可产生的最大复原力臂及相应的重心位置G2后，控制单元基于状态信息处理模块命令控制主动自扶正机构横轴部分6由初始位置A沿主动自扶正机构纵轴部分5移动至位置A2，并控制载重块7沿主动自扶正机构横轴部分6移动至B2，使无人船重心由G移动至G2并产生复原力矩MR2，无人船开始主动自扶正。

在主动自扶正过程中，状态信息处理模块实时计算无人船通过调整主动自扶正机构可形成的动态最优重心位置并发送调整命令，控制单元基于调整命令动态调整主动自扶正机构横轴部分6和载重块7的位置，以保证无人船在不同横倾角度下拥有动态最优复原力矩。当横倾角度恢复至小于90度时，主动自扶正机构横轴部分6和载重块7分别恢复至初始位置A和B，无人船依靠自身自扶正能力实现回正。

在发生大角度衡倾和翻扣时，状态信息处理模块计算主动自扶正机构可产生的最优复原力矩及相应的重心位置，并调整主动自扶正机构各个部件的位置，产生复原力矩实现自扶正。

本发明提供的适应高海况的主动自扶正无人船和方法，由自扶正船体和主动自扶正系统组成，基本结构设计简单合理，易于实现。自扶正船体在发生小于90度横倾时具有一定自扶正能力，保证了无人船在一般海况下的稳性。设备支架可装载视频监控和传感器等设备，使无人船具有功能可拓展性，且中空门架结构有效降低了航行方向阻力。设置于自扶正船体内部的主动自扶正系统有效避免了现有技术方案中在船体外部加载喷水装置或气囊后产生的船体阻力变化以及气囊展开后回收不便的问题。而且，在本发明中无人船所装载设备发生变化后，主动自扶正系统可调整无人船初始重心位置，有效解决了现有技术方案中因设备变化导致的无人船发生小角度横倾时自扶正能力减弱的问题，使无人船功能变更具备可行性。此外，主动自扶正系统可以在无人船发生大角度横倾和翻扣时自动将无人船重心调整至最优位置，可有效实现无人船主动自扶正，综合保证了无人船在高海况环境下的安全、持续航行作业能力，具备可靠高效、适用性强的显著特点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种适应高海况的主动自扶正无人船，其特征在于，包括：自扶正船体和主动自扶正系统；

所述自扶正船体为水密结构；且所述自扶正船体在水密完好条件下发生小于90度横倾时，静稳性臂为正；

所述主动自扶正系统包括：状态监测模块、状态信息处理模块和主动自扶正模块；

所述状态监测模块监测无人船的状态信息，并发送给所述状态信息处理模块；

所述状态信息处理模块基于所述状态信息动态计算无人船的浮心位置、最优重心位置、无人船发生不同角度横倾后通过调整所述主动自扶正模块产生的最优复原力矩及相应的重心位置，并向所述主动自扶正模块发出控制命令；

所述主动自扶正模块包括：主动自扶正机构和控制单元；所述主动自扶正机构为十字形滑台结构，包括纵轴部分、横轴部分和载重块；所述横轴部分安装在所述纵轴部分上，所述载重块安装在所述横轴部分上；所述控制单元接收所述状态信息处理模块的控制命令，并基于所述控制命令控制所述横轴部分和所述载重块移动。

2.根据权利要求1所述的一种适应高海况的主动自扶正无人船，其特征在于，所述自扶正船体上还安装有斜向后门架式中空结构的设备支架。

3.根据权利要求1所述的一种适应高海况的主动自扶正无人船，其特征在于，所述纵轴部分固定连接在所述自扶正船体内部，并垂直于无人船水线面；所述横轴部分与所述纵轴部分垂直连接，并平行于无人船横剖面。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种适应高海况的主动自扶正无人船，其特征在于，所述状态监测模块实时监测无人船的吃水位置、横倾角度和方向。

5.根据权利要求1所述的一种适应高海况的主动自扶正无人船，其特征在于，所述自扶正船体采用尖底折角V型线型；且所述自扶正船体上甲板为由船艏向船艉隆起的流线型曲面形状。

6.一种适应高海况的主动自扶正方法，其特征在于，适用于权利要求1～5任意一项所述的一种适应高海况的主动自扶正无人船，所述方法包括：

所述状态监测模块动态监测无人船横倾角度；

若无人船发生小于90度横倾，则无人船依靠自身的自扶正能力实现扶正；

若无人船横倾角度大于90度且未发生翻扣，通过主动自扶正模块动态调整无人船重心位置，以保证无人船在不同横倾角度下均产生最优的复原力矩，当横倾角度扶正至小于90度时，主动自扶正模块恢复至初始位置，无人船依靠自身的自扶正能力实现扶正；

若无人船发生翻扣，无人船推进器停止工作，通过主动自扶正模块调整无人船重心向船底靠近船舷方向移动，从而产生最大复原力矩，无人船开始主动扶正，在主动扶正过程中，通过主动自扶正模块动态调整重心位置以保证无人船在不同横倾角度下均产生最优的复原力矩，当横倾角度扶正至小于90度时，主动自扶正模块恢复至初始位置，无人船依靠自身的自扶正能力实现扶正。

7.根据权利要求6所述的一种适应高海况的主动自扶正方法，其特征在于，当无人船装载设备发生改变后，所述状态监测模块获取无人船正浮状态吃水位置变化情况，所述主动自扶正模块调整无人船重心位置，并设定为所述主动自扶正机构初始位置，使得无人船横倾角度小于90度时拥有最大正向静稳性力臂曲线，以保证无人船在发生小于90度横倾时拥有自扶正能力。

Images