CN114013581B - 面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人艇技术领域，具体涉及一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇。本发明不仅能够充分捕获海洋环境中的风能、太阳能与波浪能，而且具备可变结构的能力，即一方面能够根据海况等级而调整波浪拍动串列水翼的入水与出水，保证高海况下对波浪能充分吸收、低海况下艇体阻力性能良好；另一方面当无人艇靠泊时能够降下太阳能风帆，并收起艇体舷侧外的太阳能板，避免风帆与太阳能板在无人艇靠泊时受到磕碰，具有较好的安全性与可靠性。

Description

面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇

技术领域

本发明属于无人艇技术领域，具体涉及一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇。

背景技术

无人艇是一种新型无人海洋探测平台，具有较高的自主控制和导航能力，如今受到了越来越多研究学者的关注，尤其是依靠海洋自然能源驱动的无人艇，已经成为无人艇领域的发展热点之一。

海洋自然能源驱动的无人艇是一种利用海洋自然能源，包括风能、太阳能与海洋波浪能混合驱动的新型海洋航行器。在海洋环境中，波浪能存在最普遍，它和风能相互依存，海况越恶劣，波浪能和风能就越强。而太阳能作为一种永恒能源，其储量丰富，洁净安全，广泛存在，且目前利用太阳能发电的技术也日臻成熟。这三种能源均是取之不尽用之不竭的可持续利用的再生能源，因此，依靠这三种能源混合驱动的无人艇能够随时捕获海洋自然能源作为动力，具有无限续航力、自主、灵活、零排放、经济性等突出等优点。与使用常规的化石能源驱动的海洋航行器相比，该型无人艇摆脱了动力能源与海洋环境的约束，能够大范围、长航时地对海洋环境进行探测。

目前，在船舶领域，对于波浪能的利用形式有两种：利用波浪发电与利用波浪拍动水翼产生驱动力，对于无人艇而言，受其尺寸限制，利用波浪拍动水翼产生驱动力更适合无人艇；而计算流体力学CFD的计算结果表面，使用若干对小弦长水翼前后串联布置的串列结构形式能够产生比单个大弦长水翼更大的推力。对于风能的利用形式同样有两种：利用风能发电与利用风作驱动力。海洋试验表面，对于无人艇这类小型海洋航行器而言，其搭载的风力发电设备较小，普遍存在发电量过低的缺陷，因此利用风帆捕获风能作为驱动力的形式更适合无人艇。

通过调查分析目前现有的依靠海洋自然能源驱动的无人艇，以及其在实际工程应用中的使用效果，表明研发一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇意义重大。

齐占峰等人提出的《一种利用波浪推进的无人船》(公开号：CN108423118A)中在利用波浪能方面采用了船艏和船艉各安装一对大弦长拍动水翼的方案，虽然能够依靠自身摆动产生推力，但是与船艏的拍动水翼相比，船艉的水翼产生的推力极其有限，并且采用单个大弦长水翼的效果不如多个串列水翼，且无法根据海况调整水翼的入水与出水。本发明采用多个小弦长水翼前后串联的串列形式，同时增加了驱动水翼入水与出水的液压—曲柄滑块机构，既提高了无人艇对于波浪能的捕获利用，又能够保证无人艇在静水中航行时水翼不会产生阻力。

林友根提出的《减轻船舶摇动并能产生正反推力的可收放装置》(CN201151481Y)中采用了横剖面呈机翼形状的舷侧减摇水翼安装在船舶左右两侧，从而减弱船舶在靠泊时的横摇运动，并在船舶迎浪航行时能够受波浪作用摆动而产生推力，间接起到推进作用。同时，在船舶两侧布置液压机构，用来回收减摇水翼，将减摇水翼由横向布置变为垂向，但是水翼仍有一部分位于水下。这与本发明提出的驱动串列水翼出水机构是不同的，本发明设计驱动水翼出水机构的目的是为了无人艇减阻，即无人艇在静水中航行时，避免串列水翼在水下产生阻力。另外，本发明设计的串列水翼是为了捕获波浪能，而不是为了减弱横摇，因为本发明涉及的无人艇是双体船结构，与单体船结构相比，横摇本就弱。

邱守强等人提出的《船用折叠伸缩和智能追光太阳能发电板及风帆推进装置》(CN109774906A)中采用了可折叠伸缩的太阳能板，太阳能板通过两旋转自由度串联驱动装置安装在无人艇两侧，并根据风速风向调节太阳能板抬起实现风帆推进的功能。但是在回收太阳能板时，是艇体两侧的驱动装置将太阳能板折叠收缩起来，太阳能板依旧位于艇体两侧的舷侧以外，在无人艇靠泊时依旧存在太阳能板磕碰的问题。本发明采用的齿轮组机构能够将舷侧以外的太阳能板直接旋转到舷侧以内，完全避免了无人艇靠泊时太阳能板与其他船只发生碰撞的可能，且齿轮组机构结构简单可靠，易于实现；而且本发明的无人艇采用双体船结构，甲板上铺设的太阳能板更多，对太阳能捕获的能力更强。

李冬琴等人提出的《横向可折叠自动收放翼型帆》(CN104890845A)中采用液压升降杆为动力带动风帆自动展开与收起的方式，并设计了多节式主桅杆，通过液压升降杆驱动多节桅杆向上与向下运动，从而使拉索通过3个定滑轮带动帆体支撑架运动，带动帆体支撑架的展开与折叠，从而完成自动展帆与收帆过程。这与本发明采用的机构形式不同，一方面本发明采用的风帆安装了太阳能电池片，属于能够同时捕获风能与太阳能的太阳能风帆；另一方面，本发明采用的是液压—齿轮组—摆动导杆机构驱动太阳能风帆的升降，机械结构简单可靠，易于实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇。

一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇，包括艇体、水翼、水翼驱动机构、风帆、风帆驱动机构、舷侧外太阳能板、舷侧外太阳能板驱动机构、螺旋桨推进器；所述艇体采用双体船结构，在艇体的甲板上布置有太阳能板；所述水翼包括水翼支撑机构、左侧水翼和右侧水翼；所述左侧水翼和右侧水翼均为串联布置的波浪拍动串列水翼；所述水翼支撑机构包括六根竖直连杆，六根竖直连杆下端分别通过旋转铰链与左侧水翼左侧前后两端、右侧水翼的右侧前后两端、左侧水翼与右侧水翼前端之间的前后两端连接，六根竖直连杆上端通过旋转铰链与水平连杆连接，形成框架结构；所述水翼驱动机构包括油泵、第一油缸、滑道；所述第一油缸中设有第一活塞，第一活塞将第一油缸中的空间分为前后两部分；所述油泵通过管道分别与第一油缸的后端前部、后部空间连接，与第一油缸后部空间连接的管道上设有下端输油阀，与第一油缸前部空间连接的管道上设有上端输油阀；所述第一活塞通过第一连杆与滑块连接，滑块布置在所述滑道上，滑块通过旋转铰链与第二连杆的后端连接，第二连杆的前端通过曲柄与水翼支撑机构连接。

进一步地，当无人艇所处海洋环境为静水时，打开下端输油阀，关闭上端输油阀，油泵将油从第一油缸的尾部输入，在油压的作用下推动活塞，进而带动滑块沿滑道向艇体艏部平移，进而带动曲柄向前平移与旋转，从而带动水翼绕首部与尾部旋转铰链向上旋转，直至完全出水，水翼不再产生阻力；当无人艇所处环境存在波浪时，打开上端输油阀，关闭下端输油阀，油泵将油从第一油缸的首部输入，在油压的作用下拉动活塞，进而带动滑块沿滑道向艇体艉部平移，进而带动曲柄向后平移与旋转，从而带动水翼绕首部与尾部旋转铰链向下旋转，直至回到水下最初位置，而后水翼在艇体运动的作用下往复拍动，从而产生推力。

进一步地，所述风帆为可折叠式太阳能风帆，包括上层风帆和下层风帆，下层风帆与艇体之间通过第一连接铰链连接，上层风帆和下层风帆之间通过第二连接铰链连接；所述上层风帆背部设有两条圆柱形滑道，在圆柱形滑道上布置有管状滑块；所述风帆驱动机构包括第二油缸和两根摆动导杆；所述第二油缸中布置有第二活塞和第三活塞，第二活塞和第三活塞将第二油缸中的空间分为前、中、后三部分；所述油泵通过管道分别与第二油缸的前部、中部、后部三部分空间连接，与第二油缸前部空间连接的管道上设有左侧输油阀，与第二油缸中部空间连接的管道上设有中部输油阀，与第二油缸后部空间连接的管道上设有右侧输油阀；所述两根摆动导杆的前端分别与两条圆柱形滑道上的管状滑块连接，两根摆动导杆的后端分别与一个斜齿轮连接，两个斜齿轮通过一根转轴刚性连接且二者的齿向相反；所述第二活塞、第三活塞分别通过连杆与两个斜齿条连接，两个斜齿条分别与两个斜齿轮啮合。

进一步地，当无人艇靠泊时，打开左侧输油阀和右侧输油阀，关闭中部输油阀，油泵将油分别从第二油缸左右两侧输入，在油压的作用下推动第二活塞和第三活塞，进而带动两个斜齿条，两个斜齿条分别带动两个斜齿轮向艇体艏部旋转，进而带动两根摆动导杆向艇体艏部旋转，摆动导杆通过管状滑块对风帆施加作用力，驱动风帆整体绕第一连接铰链向艇体艏部倾倒，同时上层风帆与下层风帆绕第二连接铰链折叠，使得下层风帆可以水平倒在艇体的甲板上；当无人艇出港后，打开中部输油阀，关闭左侧输油阀和右侧输油阀，油泵将油从第二油缸中部输入，在油压的作用下推动第二活塞和第三活塞，进而带动两个斜齿条，两个斜齿条分别带动两个斜齿轮向艇体艉部旋转，进而带动两根摆动导杆向艇体艉部旋转，摆动导杆通过管状滑块对风帆施加作用力，驱动风帆从贴近甲板旋转到与甲板垂直的状态。

进一步地，所述舷侧外太阳能板驱动机构包括电机、两个轴向沿艇体纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮、两个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮、两个沿艇体垂向布置的圆形齿轮，以及连接这些齿轮的转轴；所述舷侧外太阳能板的底部框架在与圆形齿轮接触的部分是1/4个半圆内齿轮；所述连接齿轮的转轴中，两个垂向转轴在靠近圆形齿轮的位置各伸出一个悬臂，用来支撑舷侧外太阳能板。

进一步地，当无人艇靠泊时，电机驱动两个轴向沿艇体纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮转动，带动两个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮分别向相反的方向旋转，进而带动两个沿艇体垂向布置的圆形齿轮分别向相反方向旋转，从而带动舷侧外太阳能板分别向相反方向转动到舷侧以内，防止舷侧外的太阳能板受到碰撞；当无人艇出港后，电机再反向旋转，驱动两个轴向沿艇体纵向布置的45°锥形齿轮反向旋转，将舷侧外太阳能板旋转到舷侧以外。

本发明的有益效果在于：

本发明不仅能够充分捕获海洋环境中的风能、太阳能与波浪能，而且具备可变结构的能力，即一方面能够根据海况等级而调整波浪拍动串列水翼的入水与出水，保证高海况下对波浪能充分吸收、低海况下艇体阻力性能良好；另一方面当无人艇靠泊时能够降下太阳能风帆，并收起艇体舷侧外的太阳能板，避免风帆与太阳能板在无人艇靠泊时受到磕碰，具有较好的安全性与可靠性。

附图说明

图1为本发明的总体示意图。

图2为本发明中水翼整体出水示意图。

图3为本发明中水翼整体入水示意图。

图4为本发明中舷侧外太阳能板底部框架一角的1/4圆形内齿轮示意图。

图5为本发明中齿轮组机构工作原理与舷侧外太阳能板旋转原理图。

图6为本发明中舷侧外太阳能板旋转到舷侧以内示意图。

图7(a)为本发明中风帆驱动机构的示意图(角度1)。

图7(b)为本发明中风帆驱动机构的示意图(角度2)。

图8为本发明中上层太阳能风帆的背部圆柱形滑道与管状滑块示意图。

图9为本发明中太阳能风帆降下时的风帆驱动机构工作原理图。

图10为本发明中太阳能风帆折叠降下示意图。

图11为本发明中太阳能风帆升起时的风帆驱动机构工作原理图。

图12为本发明中太阳能风帆打开升起示意图。

图13(a)为本发明中左舷的驱动太阳能风帆转向的齿轮组机构示意图。

图13(b)为本发明中右舷的驱动太阳能风帆转向的齿轮组机构示意图。

图14(a)为本发明中左舷的太阳能风帆转向的原理示意图。

图14(b)为本发明中右舷的太阳能风帆转向的原理示意图。

图15为本发明中太阳能风帆转向的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波能混合驱动无人艇，采用双体船结构形式，主要结构包括艇体、捕获波浪能的波浪拍动串列水翼、捕获光能的太阳能板、同时捕获光能与风能的折叠式太阳能风帆、1副驱动串列水翼入水与出水的液压—曲柄滑块机构、2副驱动艇体舷侧以外的太阳能板旋转的齿轮组机构、1副驱动太阳能风帆升降的液压—斜齿轮组—摆动导杆机构、2副驱动太阳能风帆转向的齿轮组机构、4个电机、2个螺旋桨、2块电池与1套控制系统。本发明不仅能够充分捕获海洋环境中的风能、太阳能与波浪能，而且具备可变结构的能力，即一方面能够根据海况等级而调整波浪拍动串列水翼的入水与出水，保证高海况下对波浪能充分吸收、低海况下艇体阻力性能良好；另一方面当无人艇靠泊时能够降下太阳能风帆，并收起艇体舷侧外的太阳能板，避免风帆与太阳能板在无人艇靠泊时受到磕碰，具有较好的安全性与可靠性。

本发明是这样实现的：无人艇采用双体船结构形式，其基本结构包括艇体、4对前后串联布置的波浪拍动串列水翼、甲板上布置的太阳能板、可折叠式太阳能风帆、舷侧外太阳能板、螺旋桨推进器、1副驱动串列水翼入水与出水的液压—曲柄滑块机构、2副驱动艇体舷侧以外的太阳能板旋转的齿轮组机构、1副驱动太阳能风帆升降的液压—斜齿轮组—摆动导杆机构与艇内的1套控制系统。水翼采用4对串联布置的结构形式；风帆上装有太阳能电池片，并采用可折叠式结构，能够同时捕获风能与太阳能；除了两个片体中间的甲板上布置太阳能板以外，还在艇体舷侧以外布置了一部分太阳能板，提高了太阳能捕获能力，使得无人艇完全依靠在海洋环境中吸收的风能、太阳能与波浪能作为动力能源，无需其他能源；同时，无人艇安装了2套液压系统以及3套齿轮组机构，使其具备可变结构的能力，能够依靠液压—曲柄滑块机构根据海况调整4对串列水翼的入水与出水，以及在靠泊与出港时依靠齿轮组机构与液压—斜齿轮组—摆动导杆机构调整舷侧外太阳能板的位置与太阳能风帆的升降。

所述的1副驱动串列水翼入水与出水的液压—曲柄滑块机构，其结构包括油泵、油缸、下端输油阀、上端输油阀、滑块、曲柄、2根工字梁组成的滑道、连接曲柄与4对串列水翼的旋转铰链、4对串列水翼的尾部旋转铰链与4对串列水翼的首部旋转铰链。采用液压传动机构连接曲柄滑块机构，油缸内有1个活塞，活塞与滑块相连接，当无人艇所处海洋环境为静水时，水翼只能产生阻力，对无人艇航行不利，此时无人艇艇内的控制系统对油泵下达指令，下端输油阀打开，油泵将油从油缸尾部输入油缸中，在油压的作用下推动活塞与滑块沿滑道向船艏平移，带动曲柄向前平移与旋转，从而带动4对串列水翼绕尾部旋转铰链与首部旋转铰链向上旋转，直至完全出水，水翼不再产生阻力。当无人艇所处环境存在波浪时，上端输油阀打开，油泵将油从油缸首部输入油缸中，在油压的作用下拉动活塞与滑块沿滑道向船艉平移，带动曲柄向后平移与旋转，从而带动4对串列水翼绕尾部旋转铰链与首部旋转铰链向下旋转，直至回到水下最初位置。

所述的2副驱动艇体舷侧以外的太阳能板旋转的齿轮组机构，每副齿轮组机构各安装在两个片体中，其结构包括电机、2个轴向沿艇体纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮、2个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮、2个沿艇体垂向布置的圆形齿轮，以及连接这些齿轮的转轴。舷侧外太阳能板的底部框架在与圆形齿轮接触的部分是1/4个半圆内齿轮，在连接齿轮的转轴中，2个垂向转轴在靠近圆形齿轮的位置各伸出一个悬臂，用来支撑舷侧外太阳能板。当无人艇靠泊时，艇内的控制系统对电机下达指令，电机驱动2个轴向沿艇体纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮转动，由于这2个45°锥形齿轮是相向安装的，因此二者旋转方向相同，但是带动2个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮分别向相反的方向旋转，进而带动2个沿艇体垂向布置的圆形齿轮分别向相反方向旋转，从而带动舷侧外太阳能板分别向相反方向转动到舷侧以内，防止舷侧外的太阳能板受到碰撞；当无人艇出港后，电机再反转，驱动2个轴向沿艇体纵向布置的45°锥形齿轮反转，将舷侧外太阳能板旋转到舷侧以外。

所述的1副驱动太阳能风帆升降的液压—斜齿轮组—摆动导杆机构，其结构包括油泵、油缸、两侧输油阀、中部输油阀、2个斜齿轮、2个斜齿条、2根摆动导杆、折叠式太阳能风帆的下层风帆与艇体的连接铰链、下层风帆与上层风帆的连接铰链、上层风帆背部的圆柱形滑道与连接在摆动导杆一端的管状滑块。采用液压传动机构驱动齿轮组与摆动导杆，进而驱动太阳能风帆折叠升降；2个斜齿轮(25)一左一右布置，其位置关于船中对称，二者通过一根转轴刚性连接，且二者的齿向是相反的；油缸内部有两个活塞，分别连接2个斜齿条，2个斜齿条与斜齿轮相似，同样是一左一右布置，且二者齿向相反；2根摆动导杆与2个斜齿轮刚性连接，即摆动导杆的摆角与斜齿轮的转角始终相同。另外，上层风帆背部的滑道之所以采用圆柱形，是为了与摆动导杆一端的管状滑块相匹配，从而使得下层风帆在转向时，通过铰链带动上层风帆绕管状滑块的圆心转向。

当无人艇靠泊时，需要将风帆降下，艇内的控制系统对油泵下达指令，两侧输油阀打开，油泵将油分别从油缸两侧输入至油缸中，在油压的作用下，推动2个活塞拉动2个斜齿条从左右两侧向油缸中间平移，分别带动2个斜齿轮向船艏旋转，进而带动2根摆动导杆向船艏旋转，导杆通过滑块对风帆施加作用力，驱动风帆整体向船艏倾倒，同时上层风帆与下层风帆折叠，使得下层风帆可以水平倒在甲板上。当无人艇出港后，需要将风帆升起，中部输油阀打开，油泵将油从油缸中部输入至油缸中，在油压的作用下，推动2个活塞带动2个斜齿条向左右两侧平移，分别带动2个斜齿轮向船艉旋转，进而带动2根摆动导杆向船艉旋转，驱动风帆从贴近甲板旋转到与甲板垂直的状态。

所述的2副驱动太阳能风帆转向的齿轮组机构，每副齿轮组机构包含1个电机、2个轴向沿艇体宽度方向布置的45°锥形齿轮、2个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮、连接齿轮的转轴，以及连接太阳能风帆的旋转铰链；其中，电机安装在无人艇的片体上，轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮与风帆的旋转铰链通过转轴刚性连接，当需要根据风向改变风帆的方向时，控制系统对电机下达指令，电机驱动锥形齿轮转动，带动旋转铰链转向，从而带动太阳能风帆整体转向。

实施例1：

结合图1，所述的一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇，采用双体船结构形式，主要结构包括艇体1、4对前后串联布置的波浪拍动串列水翼2、甲板上布置的太阳能板3、可折叠式太阳能风帆4、舷侧外太阳能板5、螺旋桨推进器6、1副驱动串列水翼入水与出水的液压—曲柄滑块机构、2副驱动艇体舷侧以外的太阳能板旋转的齿轮组机构、1副驱动太阳能风帆升降的液压—斜齿轮组—摆动导杆机构与艇内的1套控制系统。水翼采用4对串联布置的结构形式；风帆上装有太阳能电池片，并采用可折叠式结构，能够同时捕获风能与太阳能；除了两个片体中间的甲板上布置太阳能板以外，还在艇体舷侧以外布置了一部分太阳能板，提高了太阳能捕获能力，使得无人艇完全依靠在海洋环境中吸收的风能、太阳能与波浪能作为动力能源，无需其他能源；同时，无人艇具备可变结构的能力，能够根据海况调整4对串列水翼的入水与出水，以及在靠泊与出港时调整舷侧外太阳能板的位置与太阳能风帆的升降。

结合图2与图3，所述的1副驱动串列水翼入水与出水的液压—曲柄滑块机构，其结构包括油泵7、油缸8、下端输油阀9、上端输油阀10、活塞与滑块11、曲柄12、2根工字梁组成的滑道13、连接曲柄与4对串列水翼的旋转铰链14、4对串列水翼的尾部旋转铰链15与4对串列水翼的首部旋转铰链16。采用液压传动机构连接曲柄滑块机构，当无人艇所处海洋环境为静水时，水翼只能产生阻力，对无人艇航行不利，此时无人艇艇内的控制系统对油泵7下达指令，下端输油阀9打开，油泵7将油从油缸尾部输入油缸8中，在油压的作用下推动活塞与滑块11沿滑道13向船艏平移至位置A，带动曲柄12向前平移与旋转，从而带动4对串列水翼绕尾部旋转铰链15与首部旋转铰链16向上旋转，直至完全出水，水翼不再产生阻力。当无人艇所处环境存在波浪时，水翼可以产生推力，控制系统再次对油泵7下达指令，上端输油阀10打开，油泵7将油从油缸首部输入油缸8中，在油压的作用下拉动活塞与滑块11沿滑道13向船艉平移至位置B，带动曲柄12向后平移与旋转，从而带动4对串列水翼绕尾部旋转铰链15与首部旋转铰链16向下旋转，直至回到水下最初位置，而后水翼在艇体运动的作用下往复拍动，从而产生推力。

结合图4、图5与图6，所述的2副驱动艇体舷侧以外的太阳能板旋转的齿轮组机构，每副齿轮组机构各安装在两个片体中，其结构包括电机17、2个轴向沿艇体纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮18、2个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮19、2个沿艇体垂向布置的圆形齿轮20，以及连接这些齿轮的转轴21。舷侧外太阳能板5的底部框架在与圆形齿轮20接触的部分是1/4个半圆内齿轮，在连接齿轮的转轴21中，2个垂向转轴在靠近圆形齿轮20的位置各伸出一个悬臂，用来支撑舷侧外太阳能板5。当无人艇靠泊时，艇内的控制系统对电机17下达指令，电机17驱动2个轴向沿艇体纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮18转动，由于这2个45°锥形齿轮是相向安装的，因此二者旋转方向相同，但是带动2个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮19分别向相反的方向旋转，进而带动2个沿艇体垂向布置的圆形齿轮20分别向相反方向旋转，从而带动舷侧外太阳能板5分别向相反方向转动到舷侧以内，防止舷侧外的太阳能板受到碰撞；当无人艇出港后，电机17再反向旋转，驱动2个轴向沿艇体纵向布置的45°锥形齿轮18反向旋转，将舷侧外太阳能板5旋转到舷侧以外。

结合图7与图8，所述的1副驱动太阳能风帆升降的液压—斜齿轮组—摆动导杆机构，其结构包括油泵7、油缸22、两侧输油阀23、中部输油阀24、2个斜齿轮25、2个斜齿条26、2根摆动导杆27、折叠式太阳能风帆4的下层风帆与艇体的连接铰链28、下层风帆与上层风帆的连接铰链29、上层风帆背部的圆柱形滑道30与连接在摆动导杆27一端的管状滑块31。采用液压传动机构驱动齿轮组与摆动导杆，进而驱动太阳能风帆折叠升降；2个斜齿轮25一左一右布置，其位置关于船中对称，二者通过一根转轴刚性连接，且二者的齿向是相反的；油缸22内部有2个活塞，每个活塞分别与左右2个斜齿条相连接，构成了活塞与斜齿条组26，斜齿条与斜齿轮相似，同样是一左一右布置，且二者齿向相反，每个斜齿条与油缸22内部的2个活塞相连；2根摆动导杆27与2个斜齿轮刚性连接，即摆动导杆的摆角与斜齿轮的转角始终相同。另外，上层风帆背部的滑道30之所以采用圆柱形，是为了与摆动导杆一端的管状滑块31相匹配，从而使得下层风帆在转向时，通过铰链29带动上层风帆绕管状滑块的圆心转向。

结合图9与图10，当无人艇靠泊时，需要将风帆4降下，艇内的控制系统对油泵7下达指令，两侧输油阀23打开，油泵将油分别从油缸22两侧输入至油缸中，在油压的作用下，推动左右2个活塞与斜齿条组26从左右两侧向油缸22中间平移至位置C，而后2个斜齿条分别带动2个斜齿轮25向船艏旋转，进而带动2根摆动导杆27向船艏旋转，导杆通过管状滑块31对风帆4施加作用力，驱动风帆整体绕铰链28向船艏倾倒，同时上层风帆与下层风帆绕铰链29折叠，使得下层风帆可以水平倒在甲板上。

结合图11与图12，当无人艇出港后，需要将风帆4升起，控制系统再次对油泵7下达指令，中部输油阀24打开，油泵7将油从油缸中部输入至油缸22中，在油压的作用下，推动左右2个活塞与斜齿条组26从中间向油缸22的左右两端平移至位置D，分别带动2个斜齿轮25向船艉旋转，进而带动2根摆动导杆27向船艉旋转，驱动风帆4从贴近甲板旋转到与甲板垂直的状态。

结合图13、图14与图15，所述的2副驱动太阳能风帆转向的齿轮组机构，每副齿轮组机构包含1个电机34、2个轴向沿艇体宽度方向布置的45°锥形齿轮32、2个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮33、连接齿轮的转轴，以及连接太阳能风帆的旋转铰链28；其中，电机34安装在无人艇的片体上，轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮33与风帆的旋转铰链28通过转轴刚性连接，当需要根据风向改变风帆的方向时，控制系统对电机下达指令，每个电机34驱动与其各自连接的2个轴向沿艇体宽度方向布置的45°锥形齿轮32转动，从而带动2个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮33旋转，从而带动旋转铰链28沿水平方向转向，驱动太阳能风帆4整体转向。

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 (5)

1.一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇，其特征在于：包括艇体(1)、水翼(2)、水翼驱动机构、风帆(4)、风帆驱动机构、舷侧外太阳能板(5)、舷侧外太阳能板驱动机构、螺旋桨推进器(6)；所述艇体(1)采用双体船结构，在艇体(1)的甲板上布置有太阳能板(3)；所述水翼(2)包括水翼支撑机构、左侧水翼和右侧水翼；所述左侧水翼和右侧水翼均为串联布置的波浪拍动串列水翼；所述水翼支撑机构包括六根竖直连杆，六根竖直连杆下端分别通过旋转铰链与左侧水翼左侧前后两端、右侧水翼的右侧前后两端、左侧水翼与右侧水翼前端之间的前后两端连接，六根竖直连杆上端通过旋转铰链与水平连杆连接，形成框架结构；所述水翼驱动机构包括油泵(7)、第一油缸(8)、滑道(13)；所述第一油缸(8)中设有第一活塞，第一活塞将第一油缸(8)中的空间分为前后两部分；所述油泵(7)通过管道分别与第一油缸(8)的后端前部、后部空间连接，与第一油缸(8)后部空间连接的管道上设有下端输油阀(9)，与第一油缸(8)前部空间连接的管道上设有上端输油阀(10)；所述第一活塞通过第一连杆与滑块(11)连接，滑块(11)布置在所述滑道(13)上，滑块(11)通过旋转铰链与第二连杆的后端连接，第二连杆的前端通过曲柄(12)与水翼支撑机构连接；

所述风帆(4)为可折叠式太阳能风帆，包括上层风帆和下层风帆，下层风帆与艇体(1)之间通过第一连接铰链(28)连接，上层风帆和下层风帆之间通过第二连接铰链(29)连接；所述上层风帆背部设有两条圆柱形滑道(30)，在圆柱形滑道(30)上布置有管状滑块(31)；所述风帆驱动机构包括第二油缸(22)和两根摆动导杆(27)；所述第二油缸(22)中布置有第二活塞和第三活塞，第二活塞和第三活塞将第二油缸(22)中的空间分为前、中、后三部分；所述油泵(7)通过管道分别与第二油缸(22)的前部、中部、后部三部分空间连接，与第二油缸(22)前部空间连接的管道上设有左侧输油阀，与第二油缸(22)中部空间连接的管道上设有中部输油阀(24)，与第二油缸(22)后部空间连接的管道上设有右侧输油阀；所述两根摆动导杆(27)的前端分别与两条圆柱形滑道(30)上的管状滑块(31)连接，两根摆动导杆(27)的后端分别与一个斜齿轮(25)连接，两个斜齿轮(25)通过一根转轴刚性连接且二者的齿向相反；所述第二活塞、第三活塞分别通过连杆与两个斜齿条(26)连接，两个斜齿条(26)分别与两个斜齿轮(25)啮合。

2.根据权利要求1所述的一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇，其特征在于：当无人艇所处海洋环境为静水时，打开下端输油阀(9)，关闭上端输油阀(10)，油泵(7)将油从第一油缸(8)的尾部输入，在油压的作用下推动活塞，进而带动滑块(11)沿滑道(13)向艇体(1)艏部平移，进而带动曲柄(12)向前平移与旋转，从而带动水翼(2)绕首部与尾部旋转铰链向上旋转，直至完全出水，水翼(2)不再产生阻力；当无人艇所处环境存在波浪时，打开上端输油阀(10)，关闭下端输油阀(9)，油泵(7)将油从第一油缸(8)的首部输入，在油压的作用下拉动活塞，进而带动滑块(11)沿滑道(13)向艇体(1)艉部平移，进而带动曲柄(12)向后平移与旋转，从而带动水翼(2)绕首部与尾部旋转铰链向下旋转，直至回到水下最初位置，而后水翼(2)在艇体(1)运动的作用下往复拍动，从而产生推力。

3.根据权利要求1所述的一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇，其特征在于：当无人艇靠泊时，打开左侧输油阀和右侧输油阀，关闭中部输油阀(24)，油泵(7)将油分别从第二油缸(22)左右两侧输入，在油压的作用下推动第二活塞和第三活塞，进而带动两个斜齿条(26)，两个斜齿条(26)分别带动两个斜齿轮(25)向艇体(1)艏部旋转，进而带动两根摆动导杆(27)向艇体(1)艏部旋转，摆动导杆(27)通过管状滑块(31)对风帆(4)施加作用力，驱动风帆(4)整体绕第一连接铰链(28)向艇体(1)艏部倾倒，同时上层风帆与下层风帆绕第二连接铰链(29)折叠，使得下层风帆可以水平倒在艇体(1)的甲板上；当无人艇出港后，打开中部输油阀(24)，关闭左侧输油阀和右侧输油阀，油泵(7)将油从第二油缸(22)中部输入，在油压的作用下推动第二活塞和第三活塞，进而带动两个斜齿条(26)，两个斜齿条(26)分别带动两个斜齿轮(25)向艇体(1)艉部旋转，进而带动两根摆动导杆(27)向艇体(1)艉部旋转，摆动导杆(27)通过管状滑块(31)对风帆(4)施加作用力，驱动风帆(4)从贴近甲板旋转到与甲板垂直的状态。

4.根据权利要求1所述的一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇，其特征在于：所述舷侧外太阳能板驱动机构包括电机(17)、两个轴向沿艇体(1)纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮(18)、两个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮(19)、两个沿艇体垂向布置的圆形齿轮(20)，以及连接这些齿轮的转轴(21)；所述舷侧外太阳能板(5)的底部框架在与圆形齿轮(20)接触的部分是1/4个半圆内齿轮；所述连接齿轮的转轴(21)中，两个垂向转轴在靠近圆形齿轮(20)的位置各伸出一个悬臂，用来支撑舷侧外太阳能板(5)。

5.根据权利要求4所述的一种面向减阻与避碰的可变结构型风光波浪能混合驱动无人艇，其特征在于：当无人艇靠泊时，电机(17)驱动两个轴向沿艇体纵向布置且相向安装的45°锥形齿轮(18)转动，带动两个轴向沿艇体垂向布置的45°锥形齿轮(19)分别向相反的方向旋转，进而带动两个沿艇体垂向布置的圆形齿轮(20)分别向相反方向旋转，从而带动舷侧外太阳能板(5)分别向相反方向转动到舷侧以内，防止舷侧外的太阳能板受到碰撞；当无人艇出港后，电机(17)再反向旋转，驱动两个轴向沿艇体纵向布置的45°锥形齿轮(18)反向旋转，将舷侧外太阳能板(5)旋转到舷侧以外。