CN111976886A - 带有翼板限位角调节控制装置的水翼及波浪驱动无人艇 - Google Patents

Abstract

本发明属于波浪能驱动海洋航行器领域，具体涉及一种带有翼板限位角调节控制装置的水翼及波浪驱动无人艇。船体纵摇运动能量捕获与转化装置位于首部及尾部，捕获船体纵摇运动能量用于限位调节。翼板限位角调节控制装置位于左右翼板之间的支架内，水翼旋转时通过翼板限位角调节控制装置限定转动角度幅值。转角控制装置通过电动推杆控制。控制系统依据感知的波浪运动给出需要的转角幅值，通过电动推杆的伸缩控制限位装置的旋转角度。当波浪能航行器在不同波高与波长的海浪中航行，根据预先设定的转角需要，调整水翼转动运动的限位角度幅值，可以适应不同海况，保证水翼在各种海况下提供推力，大幅提高波浪能的综合利用效率。

Description

带有翼板限位角调节控制装置的水翼及波浪驱动无人艇

技术领域

本发明属于波浪能驱动海洋航行器技术领域，具体涉及一种带有翼板限位角调节控制装置的水翼及波浪驱动无人艇。

背景技术

常规海洋航行器一般携带燃油或电池作为动力源，由于排水量限制导致可携带的能源有限，航行器续航力短，难以执行长期观测或作战任务。海洋中蕴含极其丰富的清洁能源，因此人们对利用海洋能作为海洋运载器的能量源表现出浓厚的兴趣。目前，国内外针对海洋能推进型海洋航行器技术开展了大量研究，主要集中在太阳能推进水下航行器或无人艇、温差能推进水下航行器、风能或太阳能推进无人艇、波浪能推进水下航行器等方面。

波浪驱动无人艇作为一种新型波浪能推进海洋无人航行器，具有超长航时、零排放、经济性高等突出优点。它能长期、自主地执行环境监测、水文调查、气象预报、生物追踪、远程预警、通信中继等作业任务。

波浪驱动无人艇可以利用水中的摆动翼板，将波浪能直接转化为驱动无人艇的前向推力。摆动水翼的限位角大小对推进性能有较大影响。传统水翼的限位角在无人艇开始执行任务后无法再次调整，面对不断变化的海洋波浪环境不能做出实时响应，这会对翼板的推进性能造成不良影响。

文献《NACA 0012摆动水翼水动力特性的二维数值模拟》中研究了限位角对水翼推力的影响。文章为了研究水翼摆动限位角对推进性能的影响，选取5种限位角进行分析(10°、15°、20°、25°、30°)。在文中选取的最佳限位角只在文中选定的波浪条件下有效。这说明不同波浪条件下的最佳限位角是不同的。

公开号CN110481746A，专利名称为“一种水翼转角幅值控制装置及带有该装置的波浪能航行器”，提供了一种利用电机驱动的摆动水翼限位角调节装置。但是该装置需要消耗无人艇本身携带的电池能量，不利于长期观测等任务要求。并且在翼板转动的最大角度处没有保护措施，极易损坏翼板限位轴。

公开号CN205203323U，专利名为“一种依靠隐藏浮子调节水翼攻角的波浪推进双体船”，提供了一种利用浮子控制水翼摆动的调节形式。该装置缺陷在于水翼摆动完全依赖波浪调节，无法进行主动控制。

综上，现有的波浪翼板限位调节装置有的需要消耗大量的无人艇船载能源进行控制调节，影响无人艇续航力与自持力；有的完全利用外界波浪条件进行控制，无法做到两者兼顾。因此设计一种可根据实时波浪情况进行调节，且能耗较少的翼板限位调节装置很有必要。相比于现有的调节装置，本发明的优势在于调节装置的能源来自于由波浪引起的船体运动，来源充足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有翼板限位角调节控制装置的水翼。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括船体纵摇运动能量捕获与转化装置、储气罐和翼板限位角调节控制装置；所述的船体纵摇运动能量捕获与转化装置包括气压舱；所述的气压舱内部设有导轨，导轨两端分别固定在气压舱的顶面和底面，在导轨上安装有滑块，在气压舱顶部设有单向进气孔；所述的储气罐上设有单向进气口和单向出气口；所述的气压舱上部通过导气管连接至储气罐的单向进气口；所述的滑块向下运动时，气压舱顶部的单向进气孔打开并吸入外界空气；所述的滑块向上运动时，气压舱顶部的单向进气孔关闭形成密闭空间，滑块将气压舱内的气体压入储气罐中；所述的翼板限位角调节控制装置包括椭圆形外壳，在椭圆形外壳内部设有竖直输气管，在椭圆形外壳底部设有圆盘形安装架，在圆盘形安装架中部设有旋转轴，沿圆盘形安装架外圆设有密闭气缸和活塞；所述的竖直输气管一端封闭，另一端连接至储气罐的单向出气口；所述的密闭气缸内部设有分隔板，分隔板将密闭气缸分成上下两部分，上下两部分密闭气缸分别通过导气阀与竖直输气管连接；所述的活塞首尾两端分别伸入密闭气缸中，活塞中部设有限位轴，活塞与密闭气缸整体构成封闭圆环结构；所述的旋转轴首尾两端分别安装有水翼；所述的限位轴首尾两端分别与旋转轴两端的水翼连接。

本发明的目的还在于提供一种带有翼板限位角调节控制装置的波浪驱动无人艇。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：在波浪驱动无人艇的首部和尾部均安装有带有翼板限位角调节控制装置的水翼；所述的带有翼板限位角调节控制装置的水翼包括船体纵摇运动能量捕获与转化装置、储气罐和翼板限位角调节控制装置；所述的船体纵摇运动能量捕获与转化装置和储气罐均设置在波浪驱动无人艇内部；所述的船体纵摇运动能量捕获与转化装置包括气压舱；所述的气压舱内部设有导轨，导轨两端分别固定在气压舱的顶面和底面，在导轨上安装有滑块，在气压舱顶部设有单向进气孔；所述的储气罐上设有单向进气口和单向出气口；所述的气压舱上部通过导气管连接至储气罐的单向进气口；所述的滑块在波浪驱动无人艇产生纵摇运动时由于惯性作用沿导轨做升沉运动，当滑块向下运动时，气压舱顶部的单向进气孔打开并吸入外界空气；当滑块向上运动时，气压舱顶部的单向进气孔关闭形成密闭空间，滑块将气压舱内的气体压入储气罐中；所述的翼板限位角调节控制装置包括椭圆形外壳；所述的椭圆形外壳安装在波浪驱动无人艇的底部；所述的椭圆形外壳内部设有竖直输气管，在椭圆形外壳底部设有圆盘形安装架，在圆盘形安装架中部设有旋转轴，沿圆盘形安装架外圆设有密闭气缸和活塞；所述的竖直输气管一端封闭，另一端连接至储气罐的单向出气口；所述的密闭气缸内部设有分隔板，分隔板将密闭气缸分成上下两部分，上下两部分密闭气缸分别通过导气阀与竖直输气管连接；所述的活塞首尾两端分别伸入密闭气缸中，活塞中部设有限位轴，活塞与密闭气缸整体构成封闭圆环结构；所述的旋转轴首尾两端分别安装有水翼；所述的限位轴首尾两端分别与旋转轴两端的水翼连接。

本发明的有益效果在于：

本发明中控制系统依据感知的波浪运动给出需要的转角幅值，通过电动推杆的伸缩控制限位装置的旋转角度。当波浪能航行器在不同波高与波长的海浪中航行，根据预先设定的转角需要，调整水翼转动运动的限位角度幅值，可以适应不同海况，保证水翼在各种海况下提供推力，大幅提高波浪能的综合利用效率。

附图说明

图1为一种带有翼板限位角调节控制装置的波浪驱动无人艇的示意图。

图2为本发明中船体纵摇运动能量捕获与转化装置示意图。

图3为本发明中翼板限位角调节控制装置的剖示图。

图4为本发明中水翼安装板剖示图。

图5为本发明中气体储存罐示意图。

图6为本发明中限位角调节过程框图。

图7为本发明中翼板限位角调节控制装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明属于波浪能驱动海洋航行器领域，具体涉及一种带有翼板限位角调节控制装置的水翼及波浪驱动无人艇。船体纵摇运动能量捕获与转化装置位于首部及尾部，捕获船体纵摇运动能量用于限位调节。翼板限位角调节控制装置位于左右翼板之间的支架内，水翼旋转时通过翼板限位角调节控制装置限定转动角度幅值。转角控制装置通过电动推杆控制。控制系统依据感知的波浪运动给出需要的转角幅值，通过电动推杆的伸缩控制限位装置的旋转角度。当波浪能航行器在不同波高与波长的海浪中航行，根据预先设定的转角需要，调整水翼转动运动的限位角度幅值，可以适应不同海况，保证水翼在各种海况下提供推力，大幅提高波浪能的综合利用效率。

一种带有翼板限位角调节控制装置的波浪驱动无人艇，主要包括船体1、船体纵摇运动能量捕获与转化装置2、椭圆形支架3、水翼4、导轨6、滑块7、导气管8、气缸10、导气阀11、密闭气缸12、隔板13、活塞14、旋转轴15、限位轴16等。船体艏艉底部安装椭圆形支架3。水翼4限位角调节控制装置安装在支架内。水翼4通过旋转轴16与支架3连接，水翼4可以绕旋转轴15转动，同时通过限位轴16确定限位角幅值。

船体在波浪中航行时，船体1受到波浪扰动产生纵摇运动。船体纵摇运动能量捕获与转化装置2中的滑块7在船体产生纵摇运动时由于惯性作用沿导轨6做升沉运动。气压舱顶部气孔5为单向进气孔。滑块向下运动时气孔5打开吸入外界空气，向上运动时气孔5关闭形成密闭空间，滑块将舱内气体压入储存罐内，储存罐上有单向进气口18与单向出气口19。进气口18只允许气体导入罐中，反向不导通；出气口19只允许气体导出，反向不导通。

波浪驱动无人艇的翼板限位角调节控制装置，包括支架3；限位角调节控制装置安装在支架3内。支架3为椭圆形外壳包络整个装置，使得支架结构引起的航行阻力较小，无人艇整体拥有更好的阻力性能。剖面图中旋转轴15与气缸10为同心圆。水翼限位轴16与活塞14相连，水翼4绕旋转轴运动时活塞14可在气缸10的密闭气缸12内做往复运动。控制系统通过控制相互独立的导气阀11开闭改变气缸10两侧气压，活塞运动受阻导致限位角改变。单向导气孔17包括两个气缸上相互独立的导气孔(下方气缸导气孔未在图中表示出)，受控制系统控制，当需要减小气缸内气压时气孔打开。气缸10内部设有隔板13，隔板13两侧为相对独立的密闭气缸12，气压分别由一对相互独立的气压阀11控制。

翼板限位调节控制装置安装在椭圆形支架内，包括翼板安装板、翼板旋转轴、限位轴、气缸、活塞、气压计。气缸上装有单向导气孔(受控制系统控制)，用于气缸内气压调节。气体可从导气孔内向外排出，反之海水无法进入气缸内。在船艏艉部分别装有船体纵摇运动能量收集装置，共2个；所述船体纵摇运动能量收集装置包括气孔、导轨、滑块、导气管。船体纵摇运动能量收集装置的气压舱顶部有单向通气孔，外界空气可进入气压舱内，反向不导通；导气管上有单向通气阀，气体可进入储存罐内，反向不导通。使用气压计监测气缸内气压，通过气压与限位角对应关系实时调节。

一种带有翼板限位角调节控制装置的水翼的控制方法，包括以下步骤：

(1)初始航行阶段。水翼水平状态下的气缸气压记做P₀控制系统利用气压计收集气缸内气压变化周期与峰值大小。根据理想气体状态方程，得到气压数据P根据上式即可推导出转角数据θ。

(2)计算阶段。收集到足够转角数据后控制系统通过数据库对比得到波浪数据，得到对应海况下的最佳限位角。各海况下所对应的最佳限位角数据可在无人艇执行作业前人为添加到系统中。

(3)调整阶段。系统解算出对应限位角后控制系统开闭气缸上的气阀与单向通气孔，并通过气压计反馈回的气压变化验证限位角是否已经达到最佳角度θ₁如果没有则继续进行调节。最终经过多次调节后达到最佳限位角，此时进入航行阶段。

(4)当气缸内气压峰值产生变化时说明海况产生变化，此时控制系统将翼板水平状态时的气缸气压重新调整为P₀，重新进入初始航行阶段进行调节。

初始航行时，控制系统利用气压计收集气缸内气压变化周期与峰值大小。根据理想气体状态方程，翼板水平状态下气缸内气压大小记做P₀，为定值，翼板转角大小与气压大小呈反比关系。

PV＝nRT

其中P为压力，V为体积，n为物质的量，R为常数，T为温度。气缸内温度恒定，空气质量恒定。翼板转动引起气缸容积变化，两者成线性关系。

V＝V₀-V₀(θ/θ₀)

其中V₀板水平状态下的气缸体积，θ₀翼板最大转角。综合上述两式则有：

得到气压数据P后根据上式即可推导出转角数据θ。为保证活塞不会从气缸中脱离，翼板限位角θ₀大可设置为π/4

由于翼板转动是船体相对海水的纵摇运动而产生，所以海况愈高则翼板转角峰值愈大。两者之间的数值关系可通过常规波浪驱动无人艇航行或翼板仿真计算获得。

收集到足够转角数据后控制系统可进行解算得到波浪数据，各海况下所对应的最佳转角数据可在无人艇执行作业前人为添加到系统中。

系统解算出对应限位角θ₁进入调节阶段，控制系统根据解算出的最佳限位角θ₁开闭气缸12上的气阀11与单向通气孔17，并通过气压计反馈回的气压变化验证限位角是否已经达到最佳角度θ₁，如果没有则继续进行调节。最终经过多次调节后达到最佳限位角，此时进入航行阶段。当气缸12内气压峰值产生变化时说明海况产生变化，此时控制系统重新进入初始航行阶段，将翼板水平状态时的气缸气压重新调整为P₀，进行调节。

本发明的有益效果在于：

1、相比于波浪仪等直接收集波浪数据的船载仪器，使用气压计的优势在于1)降低无人艇建造成本，2)减少系统能耗，3)气压计外观小巧直接安装在支架内部，简化船体结构，4)由于波浪仪本身重量较大，换用气压计可减小无人艇排水量进而减阻。

2、理论上安装该装置的无人艇可适应不同海况，保证水翼在不同海况下均能提供最大的推力，有效提高波浪能的综合利用效率。

3、限位角调节过程中仅解算过程和导气阀开闭需要消耗电能，除此之外无需耗费船载能源，增强了无人艇续航能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带有翼板限位角调节控制装置的水翼，其特征在于：包括船体纵摇运动能量捕获与转化装置、储气罐和翼板限位角调节控制装置；所述的船体纵摇运动能量捕获与转化装置包括气压舱；所述的气压舱内部设有导轨，导轨两端分别固定在气压舱的顶面和底面，在导轨上安装有滑块，在气压舱顶部设有单向进气孔；所述的储气罐上设有单向进气口和单向出气口；所述的气压舱上部通过导气管连接至储气罐的单向进气口；所述的滑块向下运动时，气压舱顶部的单向进气孔打开并吸入外界空气；所述的滑块向上运动时，气压舱顶部的单向进气孔关闭形成密闭空间，滑块将气压舱内的气体压入储气罐中；所述的翼板限位角调节控制装置包括椭圆形外壳，在椭圆形外壳内部设有竖直输气管，在椭圆形外壳底部设有圆盘形安装架，在圆盘形安装架中部设有旋转轴，沿圆盘形安装架外圆设有密闭气缸和活塞；所述的竖直输气管一端封闭，另一端连接至储气罐的单向出气口；所述的密闭气缸内部设有分隔板，分隔板将密闭气缸分成上下两部分，上下两部分密闭气缸分别通过导气阀与竖直输气管连接；所述的活塞首尾两端分别伸入密闭气缸中，活塞中部设有限位轴，活塞与密闭气缸整体构成封闭圆环结构；所述的旋转轴首尾两端分别安装有水翼；所述的限位轴首尾两端分别与旋转轴两端的水翼连接。

2.一种带有翼板限位角调节控制装置的波浪驱动无人艇，其特征在于：在波浪驱动无人艇的首部和尾部均安装有带有翼板限位角调节控制装置的水翼；所述的带有翼板限位角调节控制装置的水翼包括船体纵摇运动能量捕获与转化装置、储气罐和翼板限位角调节控制装置；所述的船体纵摇运动能量捕获与转化装置和储气罐均设置在波浪驱动无人艇内部；所述的船体纵摇运动能量捕获与转化装置包括气压舱；所述的气压舱内部设有导轨，导轨两端分别固定在气压舱的顶面和底面，在导轨上安装有滑块，在气压舱顶部设有单向进气孔；所述的储气罐上设有单向进气口和单向出气口；所述的气压舱上部通过导气管连接至储气罐的单向进气口；所述的滑块在波浪驱动无人艇产生纵摇运动时由于惯性作用沿导轨做升沉运动，当滑块向下运动时，气压舱顶部的单向进气孔打开并吸入外界空气；当滑块向上运动时，气压舱顶部的单向进气孔关闭形成密闭空间，滑块将气压舱内的气体压入储气罐中；所述的翼板限位角调节控制装置包括椭圆形外壳；所述的椭圆形外壳安装在波浪驱动无人艇的底部；所述的椭圆形外壳内部设有竖直输气管，在椭圆形外壳底部设有圆盘形安装架，在圆盘形安装架中部设有旋转轴，沿圆盘形安装架外圆设有密闭气缸和活塞；所述的竖直输气管一端封闭，另一端连接至储气罐的单向出气口；所述的密闭气缸内部设有分隔板，分隔板将密闭气缸分成上下两部分，上下两部分密闭气缸分别通过导气阀与竖直输气管连接；所述的活塞首尾两端分别伸入密闭气缸中，活塞中部设有限位轴，活塞与密闭气缸整体构成封闭圆环结构；所述的旋转轴首尾两端分别安装有水翼；所述的限位轴首尾两端分别与旋转轴两端的水翼连接。

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