CN115461270A - 带全浸式水翼的水翼水运船艇用控制系统 - Google Patents

Abstract

一种稳定的水翼水运船艇，其包括：水运船艇基座构件；具有近端部分和远端部分的水翼桅杆，所述近端部分机械连接至所述水运船艇基座构件的所述底侧；机械连接至所述至少一个水翼桅杆的所述远端部分的机身；配置用于控制所述水运船艇的偏航角的方向舵；可围绕位于平行于所述水运船艇基座构件的平面中的轴线旋转的升降舵；以及稳定装置，所述稳定装置还包括至少一个配置用于检测所述水运船艇基座构件的3D方位的传感器、配置用于估计所述3D方位的估计器、用于操纵所述方向舵和所述升降舵的致动器，以及用于分析所估计的3D方位并控制所述致动器的控制器。响应于所述水运船艇的扰动横摇倾斜，所述控制器向方向舵致动器生成命令以补偿检测到的倾斜。

Description

带全浸式水翼的水翼水运船艇用控制系统

技术领域

本发明总体涉及一种用于以单个全浸式支柱对水翼水运船艇进行自动稳定的系统和方法。

背景技术

水翼用于许多类型的商业水运船艇和海上游乐水运船艇，包括但不限于冲浪板、快艇、赛艇、载客船艇和海军舰船。水翼(其船壳在水面以上)使水运船艇能够比水面滑行水运船艇或排水水运船艇更有效地前行，从而减少了给定速度所需的推进能量。在游乐船艇领域，水翼引入了一种飞行的感觉，它带来了刺激，并受到用户的青睐。

在过去几年中，在游乐船艇中广泛采用了水翼用途，最值得注意的是水翼在美洲杯帆船赛、蛾级帆船赛中的使用，对于非限制性的示例，用于风筝推进水翼板(风筝推进板)，帆推进水翼板(帆推进板)和波浪推进水翼板(冲浪板)。

在一平行层面上，由于技术的进步，在过去十年中，在电动冲浪板领域取得了重大发展，使用了电力和汽油作为能源。将冲浪板与其他水运船艇区分开来的一个主要因素是，控制(速度和方向两者)是通过重量转移而不是通过活动面(例如方向舵)或推力矢量来实现的。实际上，其他交通方法(滑板和滑雪板)也严重依靠重量转移，并且这种控制方法对冲浪、滑雪和滑板体验是极为重要的。

世界知识产权组织(WIPO)专利申请公开号WO2019/091437公开了一种机动水翼装置，该机动水翼装置包括具有顶面和底面的帆板；第一水翼组件；附接至第二支撑单元的可枢转的第二水翼；以及推进系统。该水翼装置还包括一个或多个传感单元，该传感单元布置在第一支撑单元上的预定位置上，以与第二水翼可操作地通信，以自动生成对各种不稳定流体动力效应的校正响应，以稳定水翼装置。

然而，尽管WO2019/091437教导了用于俯仰和横摇控制的可调整水平控制面，但它既没有教导也没有建议用于偏航控制的可调整竖直控制面。其中教导的水平控制面需要大量动力来操作，减少了船艇在充电或更换电池之间的使用时间，并显著增加了阻力，从而既降低了船艇的最大速度又降低了它的机动性。

美国授权专利US9,359,044公开了一种被动稳定的私人水翼水运船艇，该水翼水运船艇具有漂浮设备，其中用户能够以俯卧姿、跪姿或立姿航行。该水运船艇包括支柱，支柱具有与漂浮设备互连的上端和与水翼连接的下端。该水翼大大降低了以更高速度行驶所需的动力。该水运船艇还包括连接至水翼的推进系统。该水运船艇的纵向控制和方向控制都是经由重量转移，消除了对任何活动面的需要。漂浮设备、支柱和水翼可以永久地互连，也可以是可拆卸的。

然而，US9,359,044的私人水翼水运船艇的机翼、方向舵和升降舵是完全固定的，仅通过用户的重量转移来操纵水运船艇。虽然建造用于被动稳定性，但需要一定的用户经验，以便控制船艇在水面以上的高度并调平其姿态，使其不适合完全没经验的驾乘者，并限制了除经验丰富的驾乘者外的所有驾乘者的使用。

美国授予专利US7,047,901公开了一种机动水翼水运船艇，该水翼水运船艇具有基本上水平布置的漂浮设备，该漂浮设备可以配置成接纳处于俯卧姿、坐姿或立姿的成年人。该船艇包括水翼、马达和转向机构。水翼可以具有各种配置并且是可拆卸的，而马达可以是电动的并且具有在使用时位于水下的相关电池。转向机构可以包括鸭翼并且配置为用于鸭翼的垂直运动。公开了几个实施例。

然而，尽管US7,047,901的机翼(翼片)的左半部和右半部可从竖直配置旋转到水平配置，但是随着水运船艇增加速度，响应于水与翼片之间的相互作用，该旋转以机械方式发生。没有对于翼片配置的处理器控制。水翼具有依靠机械感测和致动以保持正确飞航高度的升降舵，且方向舵与主支柱分开(这增加了复杂性)并且它由用户直接控制(这与之前的发明类似，用户需要经验以进行控制)。

因此，长期以来一直需要提供一种稳定水翼水运船艇的系统和方法，该系统和方法具有非被动的并且在机械上不依赖于水运船艇速度的稳定系统。

发明内容

本发明的目的是公开一种稳定的水翼水运船艇，该水翼水运船艇包括：(a)具有顶侧和底侧的水运船艇基座构件；(b)具有近端部分和远端部分的至少一个水翼桅杆，该近端部分机械连接至水运船艇基座构件的底侧；(c)具有主机翼的机身，该机身机械连接至所述至少一个水翼桅杆的远端部分；(d)配置用于控制水运船艇的偏航角的方向舵；(e)配置用于控制水运船艇的俯仰角的升降舵；(f)稳定装置，该稳定装置还包括至少一个配置用于检测水运船艇基座构件的3D方位的传感器，配置用于估计水运船艇基座构件在水平面上的高度以及偏航角、俯仰角和横摇角的估计器，配置用于操纵方向舵和升降舵的致动器，以及配置用于分析高度、偏航角、俯仰角及横摇角的估计值并控制致动器的控制器。

本发明的核心目的是提供上述控制器，响应于水运船艇的来自预定设定点的扰动横摇倾斜，该控制器配置用于向方向舵致动器生成命令用于旋转方向舵，使得方向舵引起横摇倾斜校正，补偿水运船艇的扰动横摇倾斜。

本发明的另一个目的是公开上述控制器，该控制器包括安装在其上并基于算法的软件装置，该算法选自由PID控制、线性二次型调节器(LQR)控制、模糊逻辑、机器学习、反馈线性化，以及它们的任何组合所组成的组。

本发明的另一个目的是公开配置用于从预定设定点补偿扰动俯仰倾斜和扰动偏航倾斜的控制器。

本发明的另一个目的是公开配置为控制水运船艇的移动的速度和方向中的至少一个的控制器。

本发明的另一个目的是公开自动或手动控制的横摇设定点、偏航设定点、俯仰设定点、速度设定点和方向设定点中的任何一个。

本发明的另一个目的是公开配置为感测用户相对于水运船艇的质心的软件装置。

本发明的另一个目的是公开该质心提供至少一个设定点，用于控制水运船艇的运动方向、水运船艇的速度和水运船艇的飞航高度中的至少一个。

本发明的另一个目的是公开稳定的水翼水运船艇，该稳定的水翼水运船艇包括用于手动控制横摇、偏航、俯仰、速度和方向的控制单元；控制效应器选自由舵柄、操纵杆、按钮、舵轮、触发器、触摸屏、键盘、压力传感器、脚踏板、光学传感器、遥控器，以及它们的任何组合所组成的组。

本发明的另一个目的是公开稳定的水翼水运船艇，该稳定的水翼水运船艇包括用于自动控制横摇、偏航、俯仰、速度和方向的控制单元；控制效应器选自由倾斜感测(姿态)型控制设备、压力传感器、脚踏板、光学传感器、称重传感器、配置为分析升降舵偏转的处理器、遥控器，以及它们的任何组合所组成的组。

本发明的另一个目的是公开配置用于预设至少一条航线并遵循该至少一条航线的软件装置。

本发明的另一个目的是公开所述水翼桅杆的横截面的纵向轴线显著大于所述水翼桅杆的横向轴线。

本发明的另一个目的是公开包括至少一个活动襟翼的机翼，该至少一个活动襟翼可绕该机翼的纵向水平轴线同步旋转。

本发明的另一个目的是公开水翼水运船艇，该水翼水运船艇被由以下成员组成的组中的成员推进：喷射式配置、通过推进器式配置、桨、帆、桨轮、螺旋桨、福伊特施耐德推进器(VSP)、风筝，以及它们的任何组合。

本发明的另一个目的是公开至少一个传感器，该至少一个传感器选自由以下内容组成的组：姿态传感器、加速度传感器、高度传感器、速度传感器、位置传感器、偏航角传感器、俯仰角传感器、横摇角传感器，以及它们的任何组合。

本发明的另一个目的是公开高度传感器，该高度传感器配置为测量由以下成员组成的组中的成员：绝对高度、海平面以上的高度、海平面以下的深度，以及它们的任何组合。

本发明的另一个目的是公开姿态传感器配置为测量由以下成员组成的组中的成员：俯仰、横摇、偏航，以及它们的任何组合。

本发明的另一个目的是公开位置传感器选自由以下内容组成的组：磁罗盘、GPS、计步器、惯性导航(INS)以及它们的任何组合。

本发明的另一个目的是公开速度传感器选自由以下内容组成的组：GPS、惯性传感器、船用皮托管计程仪、桨轮计程仪、超声波速度计程仪，以及它们的任何组合。

本发明的另一个目的是公开稳定水翼水运船艇的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供水翼水运船艇，包括：(i)具有顶侧和底侧的水运船艇基座构件；(ii)具有近端部分和远端部分的至少一个水翼桅杆，该近端部分机械连接至该水运船艇基座的底侧；(iii)具有主机翼的机身，该机身容纳配置用于推进水运船艇的推进装置，该机身机械连接至该至少一个水翼桅杆的远端部分；(iv)可围绕其轴线旋转的方向舵，该轴线垂直于水运船艇基座构件，该方向舵配置用于控制水运船艇的偏航角；(v)可围绕其轴线旋转的升降舵，该轴线位于平行于水运船艇基座构件的平面中，该升降舵配置用于控制水运船艇的俯仰角；以及(vi)稳定装置，该稳定装置还包括至少一个配置用于检测水运船艇基座构件的3D方位的传感器，配置用于估计水运船艇基座构件在水平面上的高度以及偏航角、俯仰角和横摇角的估计器，配置用于操纵方向舵和升降舵的致动器，以及配置用于分析高度、偏航角、俯仰角及横摇角的估计值并控制致动器的控制器；响应于水运船艇的来自预定设定点的扰动横摇倾斜，该控制器配置用于向方向舵致动器生成命令用于旋转方向舵；(b)感测和估计该扰动横摇倾斜；(c)由该控制器生成命令；(d)将该命令传送至方向舵致动器；以及(e)通过该方向舵致动器旋转方向舵，使得方向舵引起横摇倾斜校正，补偿水运船艇的扰动横摇倾斜。

附图说明

为了更好地理解本发明及其在实践中的实施方式，现将参考附图以非限制性示例的方式描述多个实施例，其中

图1是根据本发明的实施例的水翼水运船艇的透视图，其中定义了运动轴；

图2图示了本发明系统中所涉及的力；

图3是图示电子稳定系统的原理的示意图；

图4是根据本发明实施例的翼片组件、控制单元和传感器的透视分解图；

图5是水翼尾部控制面的实施例的近视图；

图6A至图6C示出了翼片组件、控制面和传感器的实施例的透视图；

图7A至图7B示出了水翼推进系统的实施例的透视图；

图8A至图8E示出了桅杆载荷感测方法的实施例的透视图；

图9是本发明的利用手持遥控设备和杠杆手柄来控制运动的实施例的透视图；

图10是本发明的具有用于控制运动的脚垫传感器的实施例的透视图；和

图11是本发明的具有用于控制运动的杠杆臂的实施例的透视图。

具体实施方式

与本发明的所有章节一起提供以下描述，以便使本领域的任何技术人员都能够利用所述发明并提出发明人设想的实施本发明的最佳模式。然而，各种修改对于本领域技术人员来说仍然是显而易见的，因为本发明的一般原理已经被具体定义为提供一种用于对水运船艇进行自动稳定的系统和方法。

术语“桅杆”或“支柱”在下文中是指将水运船艇的主体连接至水翼和推进单元的主要竖直构件。术语“桅杆”和“支柱”将作为同义词使用。

术语“姿态”在下文中是指水运船艇相对于行驶方向的方位。

术语“水翼”在下文中是指一个系统，该系统包括桅杆和至少一个附接至水运船艇下侧的水平控制面，水翼的配置使得在水运船艇的速度足够的情况下，水运船艇的基底至少部分地抬升出水面。

术语“水运船艇”或“水翼水运船艇”在下文中是指配备水翼的水运船艇。术语“水运船艇”和“水翼水运船艇”将作为同义词使用。

术语“稳定”(动词和名词)是指对水运船艇运动的一个方面的主动自动校正。

本发明为水运船艇提供了改进的稳定性，而在水翼的益处方面不打折扣，例如效率、使用乐趣、“冲浪”感觉和飞行感。

本发明包括电子控制的稳定系统，该稳定系统包括传感器和控制面，该系统为水翼水运船艇提供了动态稳定性，该水翼水运船艇优选为机动水运船艇，但对于非限制性示例，可以是帆动力水运船艇、风力水运船艇或波浪动力水运船艇。

在用于水翼水运船艇的电子控制的稳定系统的优选实施例中，水运船艇的速度和方向可以经由用户的输入来控制，例如通过移动重量。在优选实施例中，用户仅察觉到仅使用体重来控制水运船艇的速度和方向的“自然”感觉。用户无需意识到自动提供的动态稳定性，更重要的是，不需要任何额外的“非自然”控制方法。

参考图1，示出了水翼水运船艇100的优选实施例的透视图，其中示出了示例性用户102。运动轴线为：正X轴线11为运动方向，负Z轴线12为向下，正Y轴线13在面向前时为向右。横摇围绕X轴线旋转，俯仰围绕Y轴线旋转，偏航围绕Z轴线旋转。

船艇100可以包括板身101、水翼阵列103、马达104和推进单元105以及用户界面单元106。用户102位于船艇100的负Z侧，而水翼阵列103、马达104和推进单元105位于船艇100的正Z侧。

在飞航中，速度、机翼载荷和迎角的组合决定了飞行高度。更大的机翼载荷、更低的速度和更低的迎角会导致船艇失去高度，“下沉”，而当应用相反的参数时则相反。迎角可以通过控制面的偏转来改变，速度可以通过油门来改变，而机翼载荷通常是恒定的，除非船艇正在经历倾斜转弯，在这种情况下会产生离心力并因此施加更大的机翼载荷。

另一方面，横摇与偏航旋转交织在一起。与自行车非常像(其中用户经由车把输入偏航修正以保持横摇稳定性)，上述类型的水翼必须输入方向舵修正以便保持横摇稳定性。此外，与自行车一样，为了实现方向上的显著改变，用户必须“倾斜”进入转弯，换句话说，为了向左或向右转弯，引入了横摇倾斜。本发明可以包括陀螺仪、惯性和磁性姿态传感器，如在空中应用中常用的那样，以不断地测量横摇角、俯仰角和偏航(航向)角。高度(水面以上)感测机构也有很多种，最常见的是：与编码器183(图11，下文)耦合的机械轴、深度压力传感器137(图6A，下文)、声音发射(声纳或超声波)接近传感器114(图4，下文)、电磁发射(如红外和光电池)接近传感器114(图4，下文)，以及电容传感器。其他可能类型的高度传感器(未示出)包括激光雷达(LIDAR)、雷达、声纳、LED或任何其他类型的距离感测方法。本发明可以使用上述传感器中的一个或组合来感测板身距水面的高度或距离。

船艇的速度是可使用本领域已知的任何技术测量的，例如但不限于GPS传感器、惯性传感器、船用皮托管计程仪138(图6A，下文)、桨轮计程仪、超声波速度计程仪及其任何组合。由称重传感器提供的、当前机翼迎角和机翼载荷之间的比率的实时计算机运算也可以给出对飞行速度的估计。以上速度感测设备的任何组合，以及任何其他类似用途的速度感测设备都可以用于本发明。

自动稳定电子控制单元113(图4，下文)可以根据设计和性能需要以多种配置方式进行设计，但在所有情况下都将接收来自传感器和用户输入的数据、过滤(如果需要)、计算所需的偏转，进而使控制面偏转以实现所需的状态和稳定性。与在许多控制系统中一样，数据传输速率与系统稳定性和准确性直接相关。更高的数据传输速率意味着更高的准确性和分辨率。通常，如本发明所公开的控制系统应具有以不低于10Hz运行的反馈周期。

图2图示了本发明类型的水翼水运船艇的动力学，即具有单支柱、全浸式水翼的水翼水运船艇。

在正常飞航期间(即机翼和其他水动力潜面产生足够升力以将水运船艇和驾乘者维持在水面上)，单支柱全浸式水翼水运船艇的动力学与倒立摆的动力学非常相似，因此，水翼水运船艇是固有地(inherently)不稳定的。

倒立摆的“悬挂点”是升力中心(3100)；它位于水翼上。“摆锤”是系统的重心(3200)，它具有质量M，质量M包括用户的质量和水运船艇的质量，连接两者的线(3300)相当于连接“悬挂点”(升力中心，3100)和“摆锤”(3200，系统重心)的“无质量杆”。系统重心(3200)与系统支撑中心(或升力中心)(3100)之间的竖直距离(3310)为C_Gh。

在“悬挂点”低于“摆锤”的任何系统中，除非生成校正动作，否则横摇角(船艇的竖直轴线与地球的竖直重力轴线之间的角度)引起的小扰动将使系统倾翻。

当向前运动时，作用于纵向旋转X轴线上的主要力为：升力(相对于Z轴线的水平力(3120)和垂直力(3110))、重力(Mg)(3210)和由于离心力引起的水平加速度(Ma)(3220)(忽略所有其他的次要力)。

在正常飞航阶段，在小角度的横摇倾斜(横摇倾斜角小于14°或小于0.25弧度)的情况下，可以对系统线性化，使得sin(Φ)≈Φ和cos(Φ)≈1(其中，Φ以弧度表示)。

假设控制并保持高度C_Gh恒定，则整个系统的重量(驾乘者重量和船艇重量的总和)主要由主机翼的升力(3110)的竖直分量来平衡。如果系统的横摇角为非零，则产生围绕X(横摇)轴线的扭矩(τ_v，3115)，其中，τ_v(3115)为

τ_v＝Mg×sin(Φ)×C_Gh≈Mg×Φ×C_Gh

实际上，为了使系统返回直立姿态(假设仅需要较小的横摇角)，本发明依赖于偏航-横摇耦合效应，这在全浸式水翼中尤为突出，其中，重心(3200)位于升力中心(3100)上方的显著竖直距离(C_Gh，3310)处；升力中心(3100)在吃水线下方。

围绕偏航(Z)轴线的旋转速度将在主支柱的水平分量上产生迎角，并且在较小程度上，在主机翼的水平分量上产生迎角，，这反过来又会在水平Y轴线(3120)上创造升力。该水平水动力升力(3120)还将围绕X(横摇)轴线创造力矩(扭矩)τ_h(3125)，其与横摇扭矩τ_v(3115)相反，其中，τ_h(3125)为

τ_h＝水平升力×cos(Φ+π)×C_Gh≈水平升力×(-1)×C_Gh

方向舵控制面(由处理器调控)所引起的精确偏航校正将导致横摇角的调整，优选调整至所需姿态。

在圆周运动(其中水翼船艇不断“转弯”)中，离心加速度由下式描述：

其中，a为水平加速度，V为水翼的速度，r为“转弯”半径，ω为围绕地球的重力轴的角速度，对于小角度的横摇倾斜，该重力轴线基本平行于系统的偏航轴线。水平离心力描述为

离心力＝Ma

当上述反作用扭矩τ_v和τ_h的方向相反并且大小相等时，即使横摇角为非零，也存在平衡状态。这样一种情况可以通过Mg×Φ×C_Gh＝水平升力×(-1)×C_Gh和g×sin(Φ)≈ω×V来描述。像这样的平衡状态将导致方向与横摇角成正比不断变化。这可以由本发明的处理器利用，以便符合需要改变方向的用户输入。

在较大角度的横摇倾斜(横摇倾斜角大于14°或0.25弧度)下，控制系统利用更大的俯仰控制补偿，以便保持正确的飞航高度。

图3公开了稳定控制单元的流程图的实施例。从传感器收集(301)数据，所述数据典型地为围绕所有三个轴线的角速度、所有三个方向上的速度、所有三个方向上的加速度和所有三个方向上的位置，以及水运船艇在水面上的高度。可以收集的其他数据包括但不限于磁力计数据和至少一个其他高度，对于非限制性示例，收集水翼水运船艇的船头在水面以上的高度。如有必要，对测量数据进行过滤。

将传感器数据传递至处理器(306)，其中，状态估计器(302)判定所有三个方向上的线速度和围绕所有三个轴线的角速度、对测量的高度、磁力计数据及任何其他传感器数据作分析以生成水翼水运船艇的当前状态。将该状态与用户输入(304)进行比较(303)，用户输入可以是经由如下文讨论的位置变化的输入、经由如下文讨论的控制设备的手动输入、经由如下文讨论的控制设备的自动输入及其任何组合。将比较器(303)的输出发送至控制算法(305)，该算法判定控制面(307)的新位置，该控制面可以包括但不限于主机翼襟翼、升降舵、方向舵、推力激励设备(如下文讨论的推进器马达或喷射控制马达)，以及它们的任何组合。

这些新的控制面(307)位置促使水翼水运船艇呈现出所需状态，例如但不限于横摇角、偏航角、俯仰角、速度、转弯速率及其任何组合。

根据本发明的一个实施例，响应于所述水运船艇的、来自通过比较器303所判定的预定设定点的扰动横摇倾斜，控制算法305向方向舵致动器(未示出)生成命令以用于旋转该方向舵，使得方向舵引起横摇倾斜校正，补偿水运船艇的扰动横摇倾斜。

水翼水运船艇的动力学已受到控制面(307)变化的影响，从传感器收集(301)新数据并重复循环。

由状态估计器(302)判定的状态可以包括但不限于横摇角(围绕X轴线)和偏航角(围绕Y轴线)、俯仰角(围绕Z轴线)、水面上的高度、速度、角速度、转弯速率、局部位置、全局位置，及它们的任何组合。

用户输入可以包括但不限于横摇角、偏航角、俯仰角、转弯速率或倾斜率、局部位置、全局位置、速度、角速度、航线、高度，及它们的任何组合。

控制算法可包括但不限于PID控制回路、线性二次型调节器(LQR)控制回路、模糊逻辑、反馈线性化、机器学习或由本领域技术人员实施的任何其他类似的方法，以及其任何组合。

参考图4，示出了本发明优选实施例的分解透视图。该板身可以包括类似于常规冲浪板或小船舶的浮体101，其可以将用户的重量支撑在水面以上直至达到翼航(foiling)速度。注意，与较小体积的板身相比，较大体积的板身在位移状态下将具有更好的稳定性，但由于质量及惯性矩的增加，较大体积的板身在翼航(飞行)状态下的机动性也会降低。该板身还可以容置控制系统。典型的控制系统可以包括电池112、控制单元113和至少一个感测单元114。该感测单元包括高度传感器，还可以包括速度传感器、加速度传感器、位置传感器、桅杆载荷传感器及其任何组合。处理器典型地包括马达控制单元、姿态传感器单元、用户界面面板和控制电路板。

包括桅杆(支柱)、主机翼、机身和稳定机翼的水翼阵列可以由复合材料、金属、塑料、木材及其任何组合构成。用户可以使用螺栓或快速连接系统将桅杆的上端附接至板身的下侧(正Z侧)，或者可以将桅杆永久地附接至板身的下侧。该连接应该足够牢固和坚固，以支撑用户的重量并承受水翼与碎片的任何意外水下碰撞。桅杆-板身连接还可以包括用于电气布线的至少一个防水连接，以在电池与马达电源之间、控制面致动器与传感器之间提供电气通信。桅杆的下端可以由用户附接至水翼平面形态，该水翼平面形态包括主机翼117、机身122、马达104和推进单元105、稳定器方向舵机翼129和控制面123，以及稳定器升降舵机翼128和控制面124。

如本文所述，可以控制水运船艇的移动速度和移动方向中的至少一个。该控制可以是手动控制、自动控制、自主控制及其任何组合。

手动控制包括用户手动输入速度和方向中的至少一个的值，例如，通过向右或向左移动舵柄来控制方向以及向前或向后移动舵柄来控制速度。

自动控制包括基于用户的实时动作控制高度、速度和方向中的至少一个，例如但不限于用户质心的移动。

自主控制包括基于水运船艇的预定速度或预定方向对速度和方向中的至少一个进行处理器控制。

典型地，在自主控制中，至少有一条航线可供用户使用，该航线可以是自动预定的，或者是在航线开始之前由用户输入的。对于非限制性示例，用户可以用一起点、一个或多个航路点及一终点预定所需航线。在这个非限制性示例中，通过自主控制，在设置航线后，无需用户进一步输入，水运船艇将从起点出发，从起点依次行驶到每个航路点，在终点自主控制结束。在该非限制性示例的变体中，为至少一部分航线预定水运船艇速度，对于非限制性示例，在起点处从零开始增加速度并在终点处将其减小至零，在预计水域不会有其他水上交通的情况下，速度更高，而在可能出现汹涌水域或其他水上交通的情况下，速度更低。

对于手动控制、自动控制和自主控制中的任何一种，可以通过对水运船艇运动的至少一个方面进行主动自动校正来稳定水运船艇。

在一些优选实施例中，用户最初以俯卧姿(或者，对于更有经验的用户，以坐姿、跪姿或立姿)躺在板身上并激活控制单元和电气系统。推进单元不会开始产生推力，直至控制单元被激活。在本发明的一些实施例中，用户可以向前(朝向船头)移动身体重量，而在排水航态(无用户输入)下，相较于板身的自然俯仰角，减小板身的俯仰角，并向控制单元发出开始推力的信号。在其他实施例中，用户可以增加板身的俯仰角以向控制器发出开始推力的信号。在本发明的又另一实施例中，用户可以按按钮，该按钮将向控制单元发出开始推力的信号。可以使用这三种方法的组合(与视觉信号或音频信号同步)，以便提高可靠性并避免不必要的推力啮合。

如果控制单元感测到真实且合理的俯仰角和横摇角(如果用户不在船上，则很少发生)，该单元将继续将推力水平增加到预定水平。一旦达到预定速度，由速度传感器感测到预定速度或根据从马达初始啮合经过的时间计算得到预定速度，如果用户仍在船上，则水翼将产生升力。一旦达到起飞速度，控制单元将命令升降舵致动器向上倾斜船艇角度，创建所需的正迎角以支撑船艇和用户(驾乘者)的重量，并将船艇提升到水面以上，将船艇稳定在预定高度，很像飞机从跑道起飞并将自身稳定在恒定高度。由于此类船艇固有的不稳定的物理本质，电子横摇和俯仰稳定机构在整个加速和飞行阶段都将是活动状态的。上文公开了所涉机构的详细描述(见图3)。

在本发明的一些实施例中，一旦船艇处于飞行模式，无论是俯卧姿、坐姿还是立姿，用户都会将他的体重集中在板身顶部上的预定和标记位置。处理器可以分析升降舵或其他控制面位置的至少一个信号，例如由至少一个传感器(例如(但不限于)载荷传感器及其任何组合)提供的信号，并实时判定用户质心在板身上的位置投影，将该投影与质心在板身上的预定投影位置进行比较，例如在板身顶部标记的位置。为了加速，用户可以在船艇的运动方向上向前倾斜168，将投影的身体重量放在预定位置的前面，直至达到最大速度。为了减速，用户可以向后倾斜169，将投影的身体重量转移到预定位置后面直到达到最小速度(使得水翼着陆)。为了保持速度，用户可以将质心放在预定位置上方。注意，为了增强可及性和“用户友好性”，速度变化将是渐进的，由用户经由控制单元的接口106预定。可以选择多种“模式”，一方面使该船艇更易于使用，另一方面使船艇更易于操作。然而，在几乎所有的操作模式中，所需的(标记的)质心位置与实际质心之间的偏差越大将引起与较小偏差相比更大的加速度。

在本发明的一些实施例中，重量转移可以控制运动方向。很像速度控制，运动方向可以通过重量转移来确定。将用户的重量放在板身的纵向中心线上方将会保持当前的移动方向(飞行)，将身体重量向左移动170将引起左向倾斜转弯/方向改变，同样地，将身体重量转移到右边171会引起右向倾斜转弯。如果站立，这种方向控制类似于大多数“滑板运动”(冲浪、滑雪、花式滑水等)，从而有助于获得自然的感觉和更大的乐趣。

用户不在板身上的任何长时间迹象或由控制单元113感测到的看似合理的失控将导致马达如用户预定的那样减速或立即切断。此外，这种独特的引擎切断方法通过消除海上机动运动产品广泛使用的电线或系绳而有助于获得船艇的“自然”感觉。

在一些优选实施例中，水翼船艇的速度可以通过用户沿X轴线移动重量来控制。由于水翼的动态特性(其中，重心(3200，见图2)位于升力中心(3100，见图2)上方)，重心位置(3200，见图2)沿X轴线的变化将需要升降舵补偿，以便使系统保持平衡(保持相同的俯仰高度和飞航高度)。在系统中，例如在升降舵偏转可以通过处理器来测量的本发明的系统中，它可以作为用户输入顺序地反馈回控制算法(305，参见图11)，从而根据用户的请求改变船艇的速度。

在一些优选实施例中，水翼船艇的方向可以通过用户沿Y轴线移动重量来控制。由于水翼的动态特性(其中，重心(3200，见图2)位于升力中心(3100，见图2)上方)，重心位置(3200，见图2)沿Y轴线的长时间变化将引起围绕Y轴线的长时间的横向线性加速。由于Y轴线线性加速度可以通过加速度计测量，因此可以将其作为用户输入顺序地反馈回控制算法(305，见图11)，根据用户的请求改变船艇所需的横摇角，从而有助于方向的长时间改变。

参考图5，示出了水翼桅杆116、主机翼117、尾部机翼、控制面和推进单元的实施例的近视图。电动或机械致动器121可以嵌入机身122内部。致动器在该实施例中借助控制杆125使控制面123、124偏转。致动器的移动由控制单元调控。控制单元与致动器之间的控制通信可以是有线的、无线的以及其任何组合。如果控制通信是有线的，那么如以上所公开的，经由桅杆116有线连接。致动器的电源可以由电池提供；对于板身100中的电池，如以上所公开的，经由桅杆126有线连接。如果致动器做成防水的，则可以暴露在外部的水和压力下。

在优选实施例中，经由轴128连接至推进器/叶轮127的电动马达104可以用于产生推进力。如果做成防水的，该马达可以暴露在水和压力下。在一些实施例中，升降舵128及方向舵129类型的稳定机翼配置用于整体稳定性，而升降舵襟翼124和方向舵襟翼123用于控制飞航高度和飞航方向以及保持横摇稳定性。方向舵129、升降舵128或这两者可以是完全铰接的，也可以像在艉鳍方向舵结构中那样“半偏转”。机翼、桅杆、襟翼、推进单元和机身的尺寸可以根据船艇设计者和用户所需的行为特征和性能来确定。

图6A至图6C图示了翼片组件、控制面和传感器的实施例的透视图。除了尾部方向舵和襟翼以外，或代替尾部方向舵和襟翼，可以引入桅杆襟翼131(图6A)，从而允许进行方向(偏航)和横摇控制。在本发明的另一实施例(图6B)中，可以利用“鸭翼式配置”132。传统地，鸭翼式方案更易出现不稳定性，但具有机动性更大的益处。可以使用双方向舵配置133(图6A)，以便尽可能增大有效侧向升力面，这又反过来可以增加方向舵偏转效应。方向舵可以根据设计需要置于机身水平平面的顶部或下面。推进器尾流中的控制面会增加该控制面的有效性，但在不偏转时会增加阻力，从而有损性能。主机翼襟翼134(图6A)还可以用于控制升力和飞航高度，从而代替或增强由尾部升降舵产生的控制升力。在本发明的又一实施例中，可以将单独的、额外的支柱135(图6C)(如在帆船配置中)用作方向舵，消除了对连续机身的需要并使水翼桅杆与方向舵进一步分散开。在这种类型的配置中，整个后支柱可以围绕竖直的Z轴线旋转。与水平控制面136(图6C)耦接的升降舵可以构造在支柱的下部，从而有助于以与上文公开相同的方式进行高度控制。水翼阵列的浸没部分还可以包括深度传感器137(图6A)、速度传感器138(图6A)及其任何组合。

本发明可以包括以上所公开的实施例的组合。

图7A至图7B图示了本发明的水运船艇的推进方法的实施例。在一些实施例中，如图7A所示，可以使用导管推进器140。

该推进器可以安装在机身上方、机身下方或与机身集成。该推进器可以由电动马达141直接驱动，或者可以通过安装在板身内部的电动马达经由轴142和斜齿轮143间接驱动。在如图7B图示的一些实施例中，船艇可由容置在喷射泵144内部的叶轮推进。在喷射式配置中，特别是如果出口喷嘴置于桅杆的后部，可以并入一个矢量推力喷嘴145，以便改进并增强或者以便代替现有的偏航/横摇及俯仰的移动控制面。机械致动器可以用于引导喷嘴偏转。本发明可以包括以上所公开的实施例中的一个或组合。

水运船艇的推进可以通过喷射式配置、通过推进器式配置、桨、帆、桨轮、螺旋桨及其任何组合来提供。在一些实施例中，船艇不设推进力。在这样的实施例中，推进力可以借助外部动力源，例如但不限于波浪，例如用于稳定的冲浪板。

图8A至图8E公开了本发明的另一实施例。如上所公开的，桅杆优选是可拆卸的，并且当连接至板身时，桅杆以及桅杆-板身的连接都足够坚固，以承受水翼航行时出现的载荷。在一些实施例中，桅杆的顶端可以是圆锥形的151(图8A、图8D)，与安装在板身下侧的空腔壳体相一致(更像是常规的风帆冲浪鳍安装系统)。在其他实施例中，可以使用板状支撑件152(图8B、图8C、图8D)。

在另一些实施例中，如图8D所示，桅杆耦接/安装可以“漂浮”在柔性压力传感“箱”153内部，将载荷传感器154封装在板身101外壳内部并避免其暴露于水中(增加耐用性)。以上安装桅杆的任何一种方法都可以使用至少一个压力/载荷传感器154，以便感测用户102的重量、重量分布，以及横向压差155(图8B、图8D)支撑和纵向压差156(图8B)支撑。传感器(一个或多个)可以容置在板身154(图8D)内部、在其与桅杆157(图8B、图8E)的配合面上、在桅杆158(图8A)上，以及它们的任何组合。可以将传感器信号(一个或多个)发送至控制单元，过滤并计算载荷(一个或多个)，从而指示板身上是否存在用户、用户的重量、用户的重量分布、用户的方向输入、用户的飞航速度输入及其任何组合。本发明可以包括以上所公开的实施例中的一个或组合。

图9示出了本发明的利用手持遥控设备控制运动的实施例的透视图。在该实施例中，可以通过有线或无线遥控设备164控制方向161、速度162和高度163。用户可以使用“操纵杆”式161控制设备、油门式控制设备162、倾斜感测(姿态)式控制设备，通过类似类型的任何手动操作的命令单元及其任何组合来输入命令。遥控设备还可以包括至少一个诸如激活按钮和设定按钮的按钮165、当前状态/模式显示器166、这种类型的任何其他用户界面功能，以及它们的任何组合。

手动控制设备可以选自由舵柄、操纵杆、按钮、滚轮、触发器、触摸屏、键盘、倾斜感应(姿态)式控制设备、压力传感器、脚踏板、光学传感器、称重传感器及其任何组合组成的组。

光学传感器可以感测手部移动、身体移动、眼球移动及其任何组合，感测到的移动指示运动的速度或方向。对于非限制性示例，眼球向左或向右移动可以分别引起水运船艇左转或右转，而眼球向上或向下移动分别增加或降低水运船艇的速度。

图10示出了本发明的具有至少一个脚垫传感器167用于控制运动的实施例的透视图。在该实施例中，方向和速度的控制由一个或多个脚垫感测到的压力调控。以类似于图8所公开的方式，通过脚垫感测用户的重量转移和压力。将信号发送至控制单元，进而由控制单元来判定用户是否希望改变航向/方向和速度以及改变的量。向前倾斜168会增加速度，向后倾斜169会降低速度。在板身的左侧170施加更大的压力将引起左向倾斜转弯，而当施加右侧171压力时则相反。

自动控制设备可以选自由倾斜感测(姿态)式控制设备、压力传感器、光学传感器、称重传感器、配置为分析升降舵偏转的处理器、遥控器及其任何组合的组。

图11是示意性地图示出用于控制运动的设备的实施例和用于感测高度的设备的实施例的透视图。在这种类型的运动控制的实施例中，经由铰链式杠杆臂180和传感器181进行控制。在这种类型的实施例中，方向和速度的控制由在杠杆臂的基座181中感测的至少一个角度调控(例如，相对于Z轴线的角度和x-y平面中的角度中的至少一个)。以类似于图10所公开的方式，通过将杠杆臂倾斜而发出用户命令，所述倾斜由位于杠杆臂基座的编码器感测，并将倾斜值发送至控制单元，控制单元进而判定是否改变航线方向和速度以及改变的量。图11还示出了高度感测方法的实施例。高度由铰接在旋转传感器(编码器)183上并且可以围绕Y轴线自由旋转的机械杆/棒182感测。

在一些实施例中，船艇将自动保持恒定的飞航高度(水面以上)，与速度和用户的位置无关。

本发明的实施例可以包括本文公开的控制方法的任何组合。

自动控制可以包括用于水运船艇的横摇和偏航的单独反馈控制系统。在一些实施例中，水运船艇的俯仰也是可以经由反馈控制系统自动控制的。在反馈控制系统中，反馈控制可以通过顺序使用多种反馈控制类型的组合进行级联。级联可以包括两种或两种以上类型的反馈控制；一种反馈控制可以在级联中多次使用。可以分别为俯仰、横摇和偏航提供自动控制；为任何两个的组合提供自动控制，而第三个单独控制；或者为三者都提供自动控制。反馈控制算法可以选自由PID控制、线性二次型调节器(LQR)控制、模糊逻辑、机器学习、反馈线性化及其任何组合组成的组。

对于横摇、偏航和俯仰中的任何一个，自动控制系统可以调整横摇、偏航和俯仰的任何组合，以控制所需的横摇角、偏航角、俯仰角或飞航高度。对于非限制性示例，可以通过自动调整水运船艇的横摇角和偏航角来控制水运船艇的偏航，以确保保持所需的偏航角，而横摇通过另一级联控制。在另一个非限制性示例中，横摇和偏航由相同的级联控制；同时调整横摇和偏航以保持所需的横摇角和偏航角。

应当注意的是，典型地，桅杆将具有一个横截面，其中桅杆的纵向轴线明显长于桅杆的横向轴线。

主机翼(翼片)的形心可以具有水平、上反角(向上成一定角度或向上弯曲)或下反角(向下成一定角度或向下弯曲)的横向形状。独立地或另外，主机翼(翼片)的形心可以前掠或后掠。从上面看，主机翼在水平面上的投影可以是弯曲的、有角度的或其任何组合。对于非限制性示例，主机翼的前缘可以是弯曲的，而后缘是有角度的

应当注意的是，系统的可控制活动部分，例如但不限于升降舵、方向舵、桅杆的活动部分、机身的活动部分和主机翼的活动部分典型地借助至少一个马达来操作，该马达由处理器控制。多个活动部分可以由单个马达操作，或者每个活动部分都可以由单独的马达控制。所述至少一个马达的运行典型地由处理器控制。

在一些实施例中，主机翼是固定的，不包括活动部件。

在一些实施例中，主机翼包括至少两个活动部件，活动部件可以绕主机翼的纵向水平轴线旋转。在这些实施例的一些变体中，该至少两个活动部件一起移动。

在一些实施例中，主机翼至少包括两个活动部件，活动部件可绕主机翼的横向水平轴线旋转，其中，相对于桅杆，活动部件中的至少一个在主机翼的左(-Y)侧上，并且相对于桅杆，至少另一个活动部件在主机翼的右(+Y)侧上。在这些实施例的一些变体中，左侧活动部件和右侧活动部件一起移动。在这些实施例的其他变体中，左侧至少一个活动部件的移动与右侧至少一个活动部件的移动反平行，例如，当左侧活动部件向上移动时，右侧活动部件向下移动，反之亦然。

上述方法足以实现在完美条件下，不中断且以恒定速度水平飞航。随着速度的变化，控制面效率也随之发生变化(当速度加倍时，给定机翼产生的升力将变为四倍)。此外，在倾斜转弯的同时，升力面所承受的载荷将增加。诸如上文所述的现实世界干扰和非线性效应需要更为精密的补偿系统209，该系统测量、评估和补偿(必要时)所有上述参数，包括：用户重量210、用户重量分布(其改变系统的惯性矩)、船艇速度211和条件的不均匀性。本发明可以包括上述稳定方法的一种或组合。如果测量和稳定计算是连续且实时的，即使是无经验的用户也可以实现长时间控制的水平飞航，克服像波浪、其他船舶的尾流、风、水紊流等外部干扰。

Claims (19)

1.一种稳定的水翼水运船艇，包括：

a.具有顶侧和底侧的水运船艇基座构件；

b.具有近端部分和远端部分的至少一个水翼桅杆，所述近端部分机械连接至所述水运船艇基座构件的所述底侧；

c.具有主机翼的机身，所述机身机械连接至所述至少一个水翼桅杆的所述远端部分；

d.配置用于控制所述水运船艇的偏航角的方向舵；

e.能围绕其轴线旋转的升降舵，所述轴线位于平行于所述水运船艇基座构件的平面中，所述升降舵配置用于控制所述水运船艇的俯仰角；以及

f.稳定装置，所述稳定装置还包括至少一个配置用于检测所述水运船艇基座构件的3D方位的传感器，配置用于估计所述水运船艇基座构件在水平面上的高度以及偏航角、俯仰角和横摇角的估计器，配置用于操纵所述方向舵和所述升降舵的致动器，以及配置用于分析高度、偏航角、俯仰角和横摇角的估计值并控制所述致动器的控制器；

其中，响应于所述水运船艇的来自预定设定点的扰动横摇倾斜，所述控制器配置用于向方向舵致动器生成命令用于旋转所述方向舵，使得所述方向舵引起横摇倾斜校正，补偿水运船艇的所述扰动横摇倾斜。

2.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述控制器包括安装在其上并基于算法的软件装置，所述算法选自由PID控制、线性二次型调节器(LQR)控制、模糊逻辑、机器学习、反馈线性化，以及它们的任何组合所组成的组。

3.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述控制器配置用于从预定设定点补偿所述扰动俯仰倾斜和扰动偏航倾斜。

4.如权利要求1所述的系统稳定的水翼水运船艇，其中，所述控制器配置为控制所述水运船艇的移动的速度和方向中的至少一个。

5.如权利要求1、3和4中任一项所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述横摇设定点、偏航设定点、俯仰设定点、速度设定点和方向设定点中的任何一个都是自动或手动控制的。

6.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述软件装置配置为感测用户相对于所述水运船艇的质心。

7.如权利要求6所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述质心提供至少一个设定点，用于控制所述水运船艇的运动方向、所述水运船艇的速度和所述水运船艇的飞航高度中的至少一个。

8.如权利要求5所述的稳定的水翼水运船艇，包括用于所述手动控制所述横摇、偏航、俯仰、速度和方向的控制设备单元；所述控制效应器选自由舵柄、操纵杆、按钮、舵轮、触发器、触摸屏、键盘、压力传感器、脚踏板、光学传感器、遥控器，以及它们的任何组合所组成的组。

9.如权利要求5所述的稳定的水翼水运船艇，包括用于自动控制所述横摇、偏航、俯仰、速度和方向的控制单元；所述控制效应器选自由倾斜感测(姿态)型控制设备、压力传感器、脚踏板、光学传感器、称重传感器、配置为分析升降舵偏转的处理器、遥控器，以及它们的任何组合所组成的组。

10.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，软件装置配置用于预设至少一条航线并遵循所述至少一条航线。

11.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述水翼桅杆的横截面的纵向轴线显著大于所述水翼桅杆的横向轴线。

12.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述主机翼包括至少一个两个活动襟翼，所述至少一个活动襟翼配置用于控制施加于所述稳定的水翼水运船艇的升力；所述襟翼能绕所述机翼的纵向水平轴线旋转。

13.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述水翼水运船艇被由以下成员组成的组中的成员推进：喷射式配置、通过推进器式配置、桨、帆、桨轮、螺旋桨、福伊特施耐德推进器(VSP)、风筝，以及它们的任何组合。

14.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述至少一个传感器选自由以下内容组成的组：姿态传感器、加速度传感器、高度传感器、速度传感器、位置传感器、偏航角传感器、俯仰角传感器、横摇角传感器，以及它们的任何组合。

15.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述高度传感器配置为测量由以下成员组成的组中的成员：绝对高度、海平面以上的高度、海平面以下的深度，以及它们的任何组合。

16.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述姿态传感器配置为测量由以下成员组成的组中的成员：俯仰、横摇、偏航，以及它们的任何组合。

17.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述位置传感器选自由以下内容组成的组：磁罗盘、GPS、计步器、惯性导航(INS)以及它们的任何组合。

18.如权利要求1所述的稳定的水翼水运船艇，其中，所述速度传感器选自由以下内容组成的组：GPS、惯性传感器、船用皮托管计程仪、桨轮计程仪、超声波速度计程仪，以及它们的任何组合。

19.一种稳定水翼水运船艇的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供水翼水运船艇，包括：

i.具有底侧的水运船艇基座构件；

ii.具有近端部分和远端部分的至少一个水翼桅杆，所述近端部分机械连接至所述水运船艇基座构件的所述底侧；

iii.具有主机翼的机身，所述机身机械连接至所述至少一个水翼桅杆的所述远端部分；

iv.配置用于控制所述水运船艇的偏航角的方向舵；

v.配置用于控制所述水运船艇的俯仰角的升降舵；以及

vi.稳定装置，所述稳定装置还包括至少一个配置用于检测所述水运船艇基座构件的3D方位的传感器，配置用于估计所述水运船艇基座构件在水平面上的高度以及偏航角、俯仰角和横摇角的估计器，配置用于操纵所述方向舵和所述升降舵的致动器，以及配置用于分析高度、偏航角、俯仰角及横摇角的估计值并控制所述致动器的控制器；

响应于所述水运船艇的来自预定设定点的扰动横摇倾斜，该控制器配置用于向方向舵致动器生成命令用于旋转所述方向舵；

b.感测和估计所述扰动横摇倾斜；

c.由所述控制器生成命令；

d.将所述命令传送至所述方向舵致动器；

e.通过所述方向舵致动器旋转所述方向舵，使得所述方向舵引起横摇倾斜校正，补偿所述水运船艇的所述扰动横摇倾斜。

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