CN114750880A - 由波浪能驱动的无人艇航行方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种由波浪能驱动的无人艇航行方法，该方法包括以下步骤：无人艇的艇艏、艇尾在波浪的作用下相互旋转产生角位移，能量转换系统将艇艏和艇尾的角位移转换成电能后存储在蓄电池中，船舶推进螺旋桨利用蓄电池存储的电能驱动所述无人艇在海面航行，其中，所述艇艏和所述艇尾沿艇宽方向相铰接，所述能量转换系统通过电缆与所述蓄电池连接，所述船舶推进螺旋桨安装于所述艇艏或所述艇尾的底部。本申请的由波浪能驱动的无人艇航行方法，通过波浪能的利用作为无人艇的动力源在海中航行，无人艇结构简单，制造和维护成本低，航行方法可靠，且基于该种航行方法的无人艇，其运行时间周期较长。

Description

由波浪能驱动的无人艇航行方法

技术领域

本发明涉及波浪能发电应用技术领域，具体是一种由波浪能驱动的无人艇航行方法。

背景技术

小型的海上无人艇，具有体积小，移动灵活，布放和回收方面，隐身性能好，成本低等优点，在海洋资源勘探、水面水下军事侦察，海洋环境监测等方面具有重要的用途。但由于动力供应的问题，无人艇的航程受到制约，目前无人艇的动力来源方式一般有三种：第一种是独自携带柴油或者蓄电池，由于无人艇体积小，无法携带大量的燃油，也无法安装大容量的蓄电池，因此限制了无人艇的航程；第二种是利用太阳能作为动力来源，在无人艇上安装太阳能板，由太阳能给蓄电池充电，该方式虽然可以不用大容量的蓄电池，但是由于海上天气变化以及到了夜晚，没有阳光时，无人艇便没了动力，因此很难保证无人艇动力供应的稳定性；第三种就是母船携带无人艇，由母船为无人艇提供动力，但这种方式减小了无人艇的活动范围，降低了无人艇的隐蔽性。

由于无人艇动力供给的制约，无人艇的续航能力决定着无人艇的综合性能，传统的无人艇存在无法在恶劣的海洋环境中进行长航时、大活动范围的航行，因此，亟需一种新的无人艇航行方法来解决这一问题。

发明内容

本申请的目的在于提供由波浪能驱动的无人艇航行方法，以解决上述背景技术中提出的现有无人艇航行方法存在的续航能力差、无法满足恶劣海洋环境下进行长航时大范围航行的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种由波浪能驱动的无人艇航行方法，该方法包括以下步骤：无人艇的艇艏、艇尾在波浪的作用下相互旋转产生角位移，能量转换系统将艇艏和艇尾的角位移转换成电能后存储在蓄电池中，船舶推进螺旋桨利用蓄电池存储的电能驱动所述无人艇在海面航行，其中，所述艇艏和所述艇尾沿艇宽方向相铰接，所述能量转换系统通过电缆与所述蓄电池连接，所述船舶推进螺旋桨安装于所述艇艏或所述艇尾的底部。

作为优选，所述能量转换系统包括第一棘轮、第二棘轮、第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一棘爪、第二棘爪、第一从动齿轮、第二从动齿轮、双出轴永磁发电机和主轴；

所述主轴安装于所述艇尾上，所述第一棘轮和所述第二棘轮间隔设置于所述主轴上，所述第一棘轮和所述第二棘轮可绕所述主轴转动，且所述第一棘轮和所述第二棘轮的棘齿朝向相反；所述第一棘爪和所述第二棘爪安装于所述艇艏上，所述第一棘爪与所述第一棘轮相啮合，所述第二棘爪与所述第二棘轮相啮合；

所述第一主动齿轮套设于所述主轴上，并与所述第一棘轮相固定；所述第二主动齿轮套设在主轴上，并与所述第二棘轮相固定；所述第一从动齿轮与所述第一主动齿轮相啮合，所述第二从动齿轮与所述第二主动齿轮相啮合；所述双出轴永磁发电机的第一端与第一从动齿轮连接，另一端与所述第二从动齿轮连接，且所述双出轴永磁发电机通过所述电缆与所述蓄电池连接。

作为优选，所述艇尾上设置有轴套支撑座，所述轴套支撑座上设置有轴套；所述的艇艏上设置有销轴支撑座，所述销轴支撑座上设置有销轴，所述销轴嵌入所述轴套中，所述艇艏和所述艇尾通过所述销轴和所述轴套相铰接。

作为优选，所述艇艏和所述艇尾上均设有上限位橡胶块和下限位橡胶块，所述艇艏上的上限位橡胶块通过第一个上限位橡胶块支撑座安装于所述艇艏的上方，所述艇尾上的上限位橡胶块通过第二个上限位橡胶块支撑座安装于所述艇艏的上方，所述艇艏上的上限位橡胶块与所述艇尾上的上限位橡胶块相对设置，所述艇艏上的下限位橡胶块、所述艇尾上的下限位橡胶块分别安装于所述艇艏和所述艇尾连接处的下方，且所述艇艏上的下限位橡胶块、所述艇尾上的下限位橡胶块相对设置。

有益效果：

1、本申请的由波浪能驱动的无人艇航行方法，无人艇通过能量转换系统将艇艏、艇尾在波浪作用下的角位移进行发电，实现了无人艇在恶劣的海洋环境下的长航时、大范围的航行活动能力，由于海洋中波浪是无时无刻存在的，因此，无人艇能够时刻的获取动力源进行航行，具有较高的可靠性。

2、本申请的无人艇航行方法，将艇艏和艇尾两段进行铰接后在波浪的作用下产生角位移，能量转换系统由两对棘轮-齿轮机构构成后对艇艏和艇尾产生的角位移进行能量转换后获取动力源，无人艇结构简单且合理，安装、制造都极为简便。

3、本申请的无人艇航行方法中，基于艇艏和艇尾的结构设计以及能量转换系统的结构设计，实现利用无人艇上的纵摇进行波浪能获取，公知的，纵摇的力矩远大于横摇，因此，在采用的波浪能捕获装置尺寸相近的情况下，本申请的无人艇俘获的波浪能较多，因此，具有较高的波浪能发电的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种由波浪能驱动的无人艇俯视图；

图2是本发明一种由波浪能驱动的无人艇主视图；

图3是本发明一种由波浪能驱动的无人艇的能量转换系统组成示意图；

图4是本发明一种由波浪能驱动的无人艇中能量转换系统棘轮-齿轮机构组成图；

图5是本发明一种由波浪能驱动的无人艇以中垂运动形式时工作状态图；

图6是本发明一种由波浪能驱动的无人艇以中垂运动形式时棘轮-齿轮机构运转状态图；

图7是本发明一种由波浪能驱动的无人艇以中垂运动形式时齿轮-发电机运转状态图；

图8是本发明一种由波浪能驱动的无人艇以中拱运动形式时工作状态图；

图9是本发明一种由波浪能驱动的无人艇以中拱运动形式时棘轮-齿轮机构运转状态图；

图10是本发明一种由波浪能驱动的无人艇以中拱运动形式时齿轮-发电机运转状态图。

附图标记：1、艇艏；2、艇尾；3、轴套支撑座；4、轴套；5、销轴支撑座；6、销轴；7、能量转换系统；8、上限位橡胶块支撑座；9、上限位橡胶块；10、船舶推进螺旋桨；11、下限位橡胶块；12、第一棘轮；13、第二棘轮；14、第一主动齿轮；15、第二主动齿轮；16、第一棘爪；17、第二棘爪；18、第一从动齿轮；19、第二从动齿轮；20、双出轴永磁发电机；21、主轴；22、电缆；23、蓄电池。

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。

实施例：参考图1-4所示的一种由波浪能驱动的无人艇，包括艇艏1、艇尾2、轴套支撑座3、轴套4、销轴支撑座5、销轴6、能量转换系统7、上限位橡胶块支撑座8、上限位橡胶块9、船舶推进螺旋桨10、下限位橡胶块11、电缆22和蓄电池23。

艇艏1和艇尾2是两节独立的艇体，二者前后铰接在一起，在静水中，铰接后的艇艏1和艇尾2保持完整的船形。在本实施例中，艇艏1和艇尾2均可以使采用无人艇通用的外形设计，一般的，均具有降低无人艇在航行时的阻力的性能。轴套4通过轴套支撑座3固定连接在艇尾2上，销轴6通过销轴支撑座5固定在艇艏1上，销轴6嵌入轴套4中，艇艏1和艇尾2通过销轴6和轴套4的配合实现铰接。艇艏1和艇尾2在波浪的作用下，可以相互旋转，以产生角位移。轴套4和销轴6的数量可以根据实际要求设计，本实施例中，轴套4和销轴6均为2个，且对称布置在无人艇宽度方向的两侧。

艇艏1和艇尾2上均设有上限位橡胶块9和下限位橡胶块11，艇艏1上的上限位橡胶块9通过第一个上限位橡胶块支撑座8安装于艇艏1的上方，艇尾2上的上限位橡胶块9通过第二个上限位橡胶块支撑座8安装于艇艏1的上方，艇艏1上的上限位橡胶块9与艇尾2上的上限位橡胶块9相对设置，艇艏1上的下限位橡胶块11、艇尾2上的下限位橡胶块11分别安装于艇艏1和艇尾2连接处的下方，且艇艏1上的下限位橡胶块11、艇尾2上的下限位橡胶块11相对设置。在本实施例中，艇艏1和艇尾2上均设置2个上限位橡胶块9和2个下限位橡胶块11。上限位橡胶块9和下限位橡胶块11的设置目的是为了防止在大浪下艇艏1和艇尾2产生的角位移过大，导致无人艇上的设备失稳，同时也为了保持艇艏1和艇尾2的姿态类似于船形，从而使本实施例中的无人艇具有较小的航行阻力，进而使艇艏1和艇尾2能够保持在微幅的相对角位移状态下运行。

能量转换系统7安装在无人艇中部，作为无人艇的波浪能发电装置，其包括第一棘轮12、第二棘轮13、第一主动齿轮14、第二主动齿轮15、第一棘爪16、第二棘爪17、第一从动齿轮18、第二从动齿轮19、双出轴永磁发电机20和主轴21。第一棘轮12、第一主动齿轮14、第一棘爪16、第一从动齿轮18构成第一组棘轮-齿轮机构，第二棘轮13、第二主动齿轮15、第二棘爪17、第二从动齿轮19构成第二组棘轮-齿轮机构。

主轴21固定安装在艇尾2上，第一棘轮12和第二棘轮13相隔一定距离地嵌套在主轴21上，且第一棘轮12和第二棘轮13均可以绕主轴21旋转。第一棘轮12与第二棘轮13的棘齿朝向相反。第一棘轮12和第一主动齿轮14安装在一起，由键连接，使第一棘轮12和第一主动齿轮14可以同步旋转。第二棘轮13和第二主动齿轮15安装在一起，由键连接，使第二棘轮13和第二主动齿轮15可以同步旋转。需要说明的是，如图3、7、10所示的，第一组棘轮-齿轮机构、第二组棘轮-齿轮机构是前后间隔地安装在主轴21上。

第一棘爪16和第二棘爪17安装固定在艇艏1上，第一棘爪16与第一棘轮12啮合，以驱动第一棘轮12旋转，第二棘爪17与第二棘轮13啮合，以驱动第二棘轮13旋转。第一棘轮12旋转可以带动第一主动齿轮14旋转，第一主动齿轮14和第一从动齿轮18相互啮合，第一从动齿轮18与双出轴永磁发电机20左端通过联轴器相连。第二棘轮13旋转可以带动第二主动齿轮15旋转，第二主动齿轮15和第二从动齿轮19相互啮合，第二从动齿轮19与双出轴永磁发电机20右端通过联轴器相连。

双出轴永磁发电机20可商购获得，其发出的电由电缆22经过电力变换输入到蓄电池23中，再由蓄电池23存储的电驱动船舶推进螺旋桨10使无人艇在海面航行，船舶推进螺旋桨10安装于艇尾2的底部，整个无人艇上的机械构件均进行防水、防锈处理。需要说明的是，本实施例中记载的能量转换系统7不但可以用在基于波浪能供电的无人艇中，也可应用在其他双浮体铰接的小型波浪能装置上，应用范围广阔，具有重要的使用价值。

基于上述的由波浪能驱动的无人艇的结构，其航行方法为无人艇的艇艏1、艇尾2在波浪的作用下相互旋转产生角位移，能量转换系统7将艇艏1和艇尾2的角位移转换成电能后存储在蓄电池23中，船舶推进螺旋桨10利用蓄电池23存储的电能驱动无人艇在海面航行。

基于图5-10所示，本实施例的由波浪能驱动的无人艇航行方法的工作原理如下：

当无人艇在海上航行时，由于波浪的作用，艇艏1和艇尾2会产生相对角位移。角位移产生后，如图5和所示，无人艇的中部会凹下去，类似于船舶中的中垂现象，称为中垂做功形式；或者如图8所示，无人艇的中部会凸起来，类似于船舶中的中拱现象，称为中拱做功形式。利用艇艏1和艇尾2产生的角位移来驱动能量转换系统7，在能量转换过程中，由于无人艇的尺寸一般较小，波浪的俘获宽度比较小，导致波浪的能量不大，因此本实施例采用机械式直驱能量转换结构的形式，由第一组棘轮-齿轮机构、第二组棘轮-齿轮机构以及双出轴永磁发电机20组成，由于第一棘轮12和第二棘轮13的棘齿朝向相反，使无人艇无论是中垂做功形式还是中拱做功形式都可以将波浪能转换成棘轮的旋转机械能；

当波浪作用于无人艇，无人艇处于中垂做功状态时，艇艏1相对于艇尾2是逆时针旋转，艇尾2相对于艇艏1是顺时针旋转，由于第一棘爪16和第二棘爪17安装在艇艏1，而第一棘轮12、第二棘轮13和主轴21安装在艇尾2，因此第一棘爪16和第二棘爪17相对于主轴21做逆时针旋转。如图6所示，第一棘爪16会推动第一棘轮12，使其逆时针旋转，而此时，由于第二棘轮13的棘齿和第一棘轮12的棘齿朝向相反，第二棘爪17会从第二棘轮13的棘齿背滑过，第二棘轮13不被推动。第一棘轮12与第一主动齿轮14通过键连接，会同步运动，因此第一主动齿轮14也做逆时针旋转，第一从动齿轮18和第一主动齿轮14啮合，在第一主动齿轮14的驱动下，第一从动齿轮18会做顺时针旋转，并且第一从动齿轮18的直径小于第一主动齿轮14，因此第一从动齿轮18的转速比第一主动齿轮14增大。第一从动齿轮18和双出轴永磁发电机20的左端通过联轴器连接，因此第一从动齿轮18会带动双出轴永磁发电机20发电，并且二者的旋转方向一致，如图7所示，从双出轴永磁发电机20的左端看过去，双出轴永磁发电机20处于逆时针旋转；

如图8所示，当波浪作用于无人艇，无人艇处于中拱做功状态时，艇艏1相对于艇尾2是顺时针旋转，艇尾2相对于艇艏1是逆时针旋转，因此第一棘爪16和第二棘爪17相对于主轴21会做顺时针旋转。如图9所示，第二棘爪17会推动第二棘轮13，使其顺时针旋转，而此时，第一棘爪16会从第一棘轮12的棘齿背滑过，第一棘轮12不被推动。第二棘轮13与第二主动齿轮15也是同样通过键连接，会同步运动，因此第二主动齿轮15也做顺时针旋转。第二从动齿轮19和第二主动齿轮15啮合，在第二主动齿轮15的驱动下，第二从动齿轮19会做逆时针旋转，并且第二从动齿轮19的直径也小于第二主动齿轮15，因此第二从动齿轮19的转速比第二主动齿轮15增大。第二从动齿轮19和双出轴永磁发电机20的右端通过联轴器连接，因此第二从动齿轮转动19也会带动双出轴永磁发电机20发电，并且二者的旋转方向一致，如图10所示，从双出轴永磁发电机20的右端看过去，双出轴永磁发电机20处于顺时针旋转；

对比图7和图10可以看出，双出轴永磁发电机20的旋转方向是相同的，也意味着无论是中垂做功形式还是中拱做功形式，双出轴永磁发电机20的旋转方向都相同。因此利用本发明的能量转换系统7将往复的旋转运动转换成了单项的旋转，使无人艇只要有波浪驱动就会一直不停的发电，从而克服恶劣海洋环境进行长航时、大范围的航行活动。

还需要说明的是，本申请文件中使用到的标准零件均可以从市场上购买，而且根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均可以是采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号。

在本文中，术语“包括”意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (4)

1.一种由波浪能驱动的无人艇航行方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：无人艇的艇艏(1)、艇尾(2)在波浪的作用下相互旋转产生角位移，能量转换系统(7)将艇艏(1)和艇尾(2)的角位移转换成电能后存储在蓄电池(23)中，船舶推进螺旋桨(10)利用蓄电池(23)存储的电能驱动所述无人艇在海面航行，其中，所述艇艏(1)和所述艇尾(2)沿艇宽方向相铰接，所述能量转换系统(7)通过电缆(22)与所述蓄电池(23)连接，所述船舶推进螺旋桨(10)安装于所述艇艏(1)或所述艇尾(2)的底部。

2.根据权利要求1所述的由波浪能驱动的无人艇航行方法，其特征在于，所述能量转换系统(7)包括第一棘轮(12)、第二棘轮(13)、第一主动齿轮(14)、第二主动齿轮(15)、第一棘爪(16)、第二棘爪(17)、第一从动齿轮(18)、第二从动齿轮(19)、双出轴永磁发电机(20)和主轴(21)；

所述主轴(21)安装于所述艇尾(2)上，所述第一棘轮(12)和所述第二棘轮(13)间隔设置于所述主轴(21)上，所述第一棘轮(12)和所述第二棘轮(13)可绕所述主轴(21)转动，且所述第一棘轮(12)和所述第二棘轮(13)的棘齿朝向相反；所述第一棘爪(16)和所述第二棘爪(17)安装于所述艇艏(1)上，所述第一棘爪(16)与所述第一棘轮(12)相啮合，所述第二棘爪(17)与所述第二棘轮(13)相啮合；

所述第一主动齿轮(14)套设于所述主轴(21)上，并与所述第一棘轮(12)相固定；所述第二主动齿轮(15)套设在主轴(21)上，并与所述第二棘轮(13)相固定；所述第一从动齿轮(18)与所述第一主动齿轮(14)相啮合，所述第二从动齿轮(19)与所述第二主动齿轮(15)相啮合；所述双出轴永磁发电机(20)的第一端与第一从动齿轮(18)连接，另一端与所述第二从动齿轮(19)连接，且所述双出轴永磁发电机(20)通过所述电缆(22)与所述蓄电池(23)连接。

3.根据权利要求1所述的由波浪能驱动的无人艇航行方法，其特征在于，所述艇尾(2)上设置有轴套支撑座(3)，所述轴套支撑座(3)上设置有轴套(4)；所述的艇艏(1)上设置有销轴支撑座(5)，所述销轴支撑座(5)上设置有销轴(6)，所述销轴(6)嵌入所述轴套(4)中，所述艇艏(1)和所述艇尾(2)通过所述销轴(6)和所述轴套(4)相铰接。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的由波浪能驱动的无人艇航行方法，其特征在于，所述艇艏(1)和所述艇尾(2)上均设有上限位橡胶块(9)和下限位橡胶块(11)，所述艇艏(1)上的上限位橡胶块(9)通过第一个上限位橡胶块支撑座(8)安装于所述艇艏(1)的上方，所述艇尾(2)上的上限位橡胶块(9)通过第二个上限位橡胶块支撑座(8)安装于所述艇艏(1)的上方，所述艇艏(1)上的上限位橡胶块(9)与所述艇尾(2)上的上限位橡胶块(9)相对设置，所述艇艏(1)上的下限位橡胶块(11)、所述艇尾(2)上的下限位橡胶块(11)分别安装于所述艇艏(1)和所述艇尾(2)连接处的下方，且所述艇艏(1)上的下限位橡胶块(11)、所述艇尾(2)上的下限位橡胶块(11)相对设置。

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