CN120207521A - 一种可倾覆翻转与下潜的无人船及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可倾覆翻转与下潜的无人船及其控制方法，该无人船包括：中间船体、第一侧船体、第二侧船体、第一翼板、第二翼板；第一侧船体、第二侧船体设于中间船体的两侧，中间船体通过第一翼板与第一侧船体连接，中间船体通过第二翼板与第二侧船体连接；第一翼板、第二翼板均设有水平舵，所述第一侧船体、第二侧船体均设有多个推进器；第一侧船体、第二侧船体内部设有多个压载水舱，用于调整船体内的进排水，实现无人船的下潜、上浮及纵横倾的调整。本发明采用对称式可翻转与可下潜设计，在大风浪中实现多自由度控制，能够适应水面航行和全潜航行等多样化的作业模式，满足高海况条件下的水上和水下作业需求。

Description

一种可倾覆翻转与下潜的无人船及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人船技术领域，具体涉及一种可倾覆翻转与下潜的无人船及其控制方法。

背景技术

随着海洋探索技术的不断进步，无人船的应用日益增多，这些无人船的设计和性能直接影响到其在复杂海洋环境中的作业效率和安全性。

在大风浪条件下，无人船的稳定性和生存能力至关重要，现有的无人船在设计上往往缺乏有效的抗风浪措施，一旦翻覆，很难恢复到正常航行状态，导致任务失败甚至设备损失。在某些应用场景中，无人船需要具备下潜能力以避开水面的恶劣天气或进行水下探测，然而现有的无人船仅支持水面航行，而不具备在水面和水下自由转换的能力，限制了无人船在复杂海洋环境中的应用范围。此外，在复杂的海洋环境中，无人船需要具备灵活的转弯和机动能力以避开障碍物或进行精确定位，传统的无人船在转弯时可能会受到船体设计的限制，导致转弯半径大，机动性不足，影响其在狭窄或复杂海域的作业效率和安全性。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种可倾覆翻转与下潜的无人船及其控制方法，本发明的无人船采用对称式可翻转与可下潜设计，在大风浪中实现多自由度控制，具备优异的回转性能，能够适应水面航行和全潜航行等多样化的作业模式，满足高海况条件下的水上和水下作业需求。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种可倾覆翻转与下潜的无人船，包括：中间船体、第一侧船体、第二侧船体、第一翼板、第二翼板；

所述第一侧船体、第二侧船体设于中间船体的两侧，中间船体通过第一翼板与第一侧船体连接，中间船体通过第二翼板与第二侧船体连接；

所述第一翼板、第二翼板均设有水平舵，所述第一侧船体、第二侧船体均设有多个推进器；

所述第一侧船体、第二侧船体内部设有多个压载水舱，用于调整船体内的进排水，实现无人船的下潜、上浮及纵横倾的调整。

作为优选的技术方案，所述第一侧船体、第二侧船体在尾部的上下位置分别设置推进器。

作为优选的技术方案，还设有转动导流管，所述转动导流管与推进器螺旋桨安装在同一轴线上，用于改变各推进器推力方向，控制无人船的航向。

作为优选的技术方案，所述第一侧船体、第二侧船体内部在前上、前下、后上和后下位置分别设置压载水舱，第一侧船体、第二侧船体的各个压载水舱之间具有连通管路，当无人船翻转时，连通管路的阀门打开，上方压载水舱的水流进下方压载水舱；

调节各个压载水舱的进水或者排水，实现无人船的下潜、上浮及纵横倾的调整。

作为优选的技术方案，所述第一翼板、第二翼板在以无人船行进方向上的前后位置设有水平舵。

作为优选的技术方案，还设有惯性传感器，用于检测无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动状态。

作为优选的技术方案，所述中间船体、第一侧船体、第二侧船体均采用横剖面近似椭圆的流线型外壳结构。

作为优选的技术方案，所述第一翼板、第二翼板均采用流线型结构。

作为优选的技术方案，所述水平舵采用流线型结构。

本发明还提供一种可倾覆翻转与下潜的无人船的控制方法，包括下述步骤：

无人船根据任务需求选择水面航行模式和水下航行模式，或者根据海况情况自适应航行，在自适应航行状态，无人船根据自身的横摇、纵摇和垂荡运动进行判断，当检测到无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动小于预设阈值时，采用水面航行模式；当检测到无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动超出预设阈值时，采用水下航行模式；

无人船控制压载水舱进排水量切换水面航行模式和水下航行模式；

水面航行时，无人船控制压载水舱进排水调整无人船浮态，控制前后压载水舱水量差调整无人船纵倾角度，控制左右压载水舱水量差调整无人船横倾角度，控制下方所有压载水舱同时进排水调整吃水深度；

水面航行时，无人船通过下方入水的推进器进行推进，上方推进器处于关闭状态，当检测到船舶发生倾覆翻转时，切换上下方推进器的工作状态，使翻转后的下方推进器保持工作状态，而上方推进器处于关闭状态，通过改变下方推进器的推力大小或方向，基于差动推进控制无人船的航向；

水下航行时，所有推进器同时工作，通过改变推进器的推力大小或方向，基于差动推进控制无人船的航向；

水下航行时，无人船控制水平舵的舵角产生垂直向上或向下的升力，控制航行时的姿态。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明的无人船采用了上下、左右对称结构设计，船体被海浪打翻后可切换开启位于水面下的一对推进器保持航行连续性，在确保无人船稳定性的同时，也极大地提高了其在极端海况下的适应性和生存能力，克服了现有无人船在倾覆后无法继续行驶的问题。

(2)本发明的无人船具备同时适应水面航行和水下航行的功能，能同时满足恶劣海况下水上作业和水下作业等多种需求，通过压载水舱的进排水来实现无人船的下潜、上浮及纵横倾的调整，以适应无人船的水面和水下航行状态，当面临超出自身耐波能力的巨浪时，无人船能够自主下潜，从水面航行状态调整为水下航行状态，有效避开海面巨浪的直接冲击，确保无人船的安全，并且采用多体多推进的技术方案，利用空间上的多个推进力相互协调实现更多自由度的控制，在灵活性、稳定性、快速性方面都是单体无法比拟的，更容易满足高速高海况水上水下的使用需求。

(3)本发明的翼板安装有水平舵，通过控制各水平舵的舵角，利用机翼的升力原理，航行时能在中间船体四周产生垂直方向的向上或向下作用力，有利于增加无人船垂直方向上的可控性，通过各自控制水平舵的舵角，可使无人船水下航行时更加平稳，通过舵角控制还可以实现无人船朝上浮或下潜方向改变航向。

(4)本发明的中间船体和两侧船体均采用横剖面近似椭圆的流线型设计，有异于现有的水面无人船，流线型设计一方面可减少高速高海况航行的上浪阻力，提高航行效率，另一方面还可有利于迅速排水和去浪，通过水平舵的减摇作用和压载水舱的调节，无人船的水滴形外形更有利于其穿越大浪，显著降低波浪影响，实现平稳的航行，相对于常规船舶更能适应高速高海况的运行状态。

(5)本发明的中间船体与两个侧船体构成的三体结构设计提供了比传统单体或双体船更高的稳定性，尤其在高海况条件下，能够有效抵抗风浪的冲击。

附图说明

图1为本实施例可倾覆翻转与下潜的无人船的三维示意图；

图2为本实施例可倾覆翻转与下潜的无人船的主视示意图；

图3为本实施例可倾覆翻转与下潜的无人船的俯视示意图；

图4为本实施例可倾覆翻转与下潜的无人船的左视示意图；

图5为本实施例可倾覆翻转与下潜的无人船水平舵示意图；

图6为本实施例可倾覆翻转与下潜的无人船水面航行吃水线示意图。

其中，1-侧船体，2-推进器，3-翼板，4-中间船体，5-水平舵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1-图4所示，本实施例提供一种可倾覆翻转与下潜的无人船，包括：侧船体1，推进器2，翼板3，中间船体4，水平舵5；

两个侧船体1设置在中间船体4的两侧，中间船体通过两个流线型的翼板3与侧船体连接，两个翼板前后分别嵌有两个流线型的水平舵5，两个侧船体的尾部上下分别设置两个推进器，侧船体内部还设有多个压载水舱，用于调整船体内的进排水，具体地，每个侧船体内设置4个压载水舱，分别设置在侧船体的上下、前后4个方位；

在本实施例中，中间船体4和侧船体1均采用横剖面近似椭圆的流线型外壳结构，翼板和水平舵采用流线型结构，以上结构设计一方面可减少高速高海况航行的上浪阻力，提高航行效率，另一方面还可有利于迅速排水和去浪，在水平舵的控制作用下，无人船的水滴形外形更有利于其穿越大浪，实现平稳的航行，相对于常规船舶更能适应高速高海况的运行状态。

在本实施例中，侧船体1内部设置有前上、前下、后上和后下四个压载水舱，压载水舱用于调整船体内的进排水，从而改变无人船的重力大小和重心位置，减少无人船在水面上的横摇和纵摇幅度，使其能够适应高速高海况的航行条件，并在最大程度上保持航行的平稳性。当面临超出自身耐波能力的巨浪时，无人船能够自主下潜，有效避开海面巨浪的直接冲击，确保无人船的安全；

若头部压载水舱单独进水，则头部艏倾；若尾部压载水舱单独进水，则艉倾；若八个压载水舱同时进水或者排水，则无人船整体下沉或者上浮；若无人船处于正常姿态，下方四个压载水舱储进水，可使无人船重心偏下；上下方压载舱间具有连通管路，当无人船翻转时，连通管路阀门打开，以便上方压载水舱的水流进下方压载水舱，降低船舶重心高度。本实施例通过压载水舱的进排水来实现无人船的下潜、上浮及纵横倾的调整，以适应无人船的水面和水下航行状态，压载水舱分布在侧船体内部的前上、前下、后上和后下位置，是为了在调节自身重力的同时，也能调节重心的纵向位置。

在本实施例中，推进器的数量设置为四个，设于侧船体尾部的上方和下方，两个侧体与中间船体构成三体无人船，采用三体四推进技术，利用空间上的多个推进力相互协调实现更多自由度的控制，在灵活性、稳定性、快速性方面都是单体无法比拟的，更容易满足高速高海况水上水下的使用需求。利用空间上的多个推进力相互协调实现更多自由度的控制，可以在满足高速高海况水上水下的使用需求下进行调整。

在本实施例中，侧船体构成的空间多维推进系统较传统船舶或潜艇的单一推进和尾部推进方式更灵活，可实现多维的控制，通过空间上多个推进力的精确协调，从而在灵活性、稳定性和快速性方面展现出超越单体船体的性能，该多推进器的设计允许无人船在水下进行复杂的机动，包括精确的定位和快速的转向；

第一种方式，可通过控制各推进器推力的大小来控制无人船的航向，如：增加左侧推进器的推力，减少右侧推进器的推力(或右侧倒车)，无人船即实现右转；当船体全部进入水中时，增加下方两个推进器的推力，减少上方推进器的推力，无人船即实现向上转弯。第二种方式，本实施例除了通过改变各推进器推力大小来控制航向外，还可以通过改变各推进器推力方向来控制无人船的航向。例如，采用转动导流管螺旋桨，通过控制导流管的方向来改变推进器推力的方向，从而实现无人船的转向。

如图5所示，翼板边缘安装的水平舵能够沿水平轴(即舵杆)朝上或朝下转动一定舵角，利用机翼的升力原理，航行时能在中间船体四周产生4个向上或向下的作用力，以控制无人船的浮态，使无人船航行更加平稳。

在水下平稳航行时，无人船一般调节成零浮力，需改变深度时，一方面可通过改变4个水平舵的舵角，从而产生向上或向下的升力，以实现无人船向上或向下的变向；另一方面也可控制4个推进器的垂直推力分布以实现无人船朝上和朝下航行；再者，还可通过控制压载水舱的进排水实现无人船的上升和下降；当然多者也可联动起来，实现多参数快速控制。

在本实施例中，无人船还设置有惯性传感器，当遇到大浪，惯性传感器测量到无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动超出预设阈值时，判断为海况超出无人船自身耐波能力，此时无人船就会及时下潜，从水面航行状态调整为水下航行状态，从而避开海面大浪的威胁，确保船体自身的安全。

在本实施例中，无人船采用了上下、左右对称结构设计，船体被海浪打翻后可切换开启位于水面下的一对推进器保持航行连续性，这一设计在确保无人船稳定性的同时，也极大地提高了其在极端海况下的适应性和生存能力，此外，差速转弯技术的应用使得无人船能够通过推进器的差速控制实现灵活的转弯和机动，增强了其在复杂海洋环境中的适应性和安全性。

在本实施例中，无人船具备同时适应水面航行和水下航行的功能，能同时满足恶劣海况下水上作业和水下作业等多种需求，当水面航行时，可使用位于水面下方的两个推进器进行推进，上方推进器可不工作；当在恶劣海况下发生倾覆翻转后，可快速切换上下方推进器的工作状态，使翻转后下方入水的推进器始终处于工作状态，当水下航行时，四个推进器可同时工作。

在本实施例中，还提供一种可倾覆翻转与下潜的无人船的控制方法，包括下述步骤：

水面航行时，无人船控制压载水舱进排水调整无人船浮态，控制前后压载水舱水量差可调整无人船纵倾角度，控制左右压载水舱水量差可调整无人船横倾角度，控制下方所有压载水舱同时进排水可调整吃水深度；

水面航行时，无人船通常是利用下方入水的两个推进器进行推进，上方两个推进器处于关闭状态；当惯性传感器检测到船舶发生倾覆翻转时，会及时切换上下方推进器的工作状态，使翻转后的下方两个推进器始终处于工作状态，而上方处于关闭状态；

水面航行时，可通过改变两个下方推进器的推力大小或方向，利用差动推进原理来控制无人船的航向；

水面航行时，无人船控制下方四个压载水舱进排水量，可调整无人船的重心，控制航行时的姿态，使其重心偏下，行驶时更加稳定。

如图6所示，无人船可根据任务需要选择水面航行和水下航行，另外还可设置成根据海况情况自适应航行，在自适应航行状态，无人船根据自身的横摇、纵摇和垂荡运动进行判断，当检测到无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动较小时，采用水面航行模式；当检测到无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动超出预设阈值时，采用水下航行模式。

水面航行和水下航行模式的切换是通过各压载水舱的进、排水实现的，通过各压载水舱的压载配合，可使水下航行状态下无人船在水中处于悬浮状态。

水下航行时，通过控制四个推进器的推力分布，利用差动推进原理可实现无人船上下左右的灵活转弯。例如增加左侧两个推进器的推力，降低右侧两个推进器的推力，无人船可实现向右转弯；增加下方两个推进器的推力，降低上方两个推进器的推力，无人船可实现向上转弯。

水下航行时，通过控制4个水平舵的舵角，可产生垂直向上或向下的升力，利用空间上这4个升力的大小和方向的控制，可实现无人船在水下更平稳的航行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，包括：中间船体、第一侧船体、第二侧船体、第一翼板、第二翼板；

所述第一侧船体、第二侧船体设于中间船体的两侧，中间船体通过第一翼板与第一侧船体连接，中间船体通过第二翼板与第二侧船体连接；

所述第一翼板、第二翼板均设有水平舵，所述第一侧船体、第二侧船体均设有多个推进器；

所述第一侧船体、第二侧船体内部设有多个压载水舱，用于调整船体内的进排水，实现无人船的下潜、上浮及纵横倾的调整。

2.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，所述第一侧船体、第二侧船体在尾部的上下位置分别设置推进器。

3.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，还设有转动导流管，所述转动导流管与推进器螺旋桨安装在同一轴线上，用于改变各推进器推力方向，控制无人船的航向。

4.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，所述第一侧船体、第二侧船体内部在前上、前下、后上和后下位置分别设置压载水舱，第一侧船体、第二侧船体的各个压载水舱之间具有连通管路，当无人船翻转时，连通管路的阀门打开，上方压载水舱的水流进下方压载水舱；

调节各个压载水舱的进水或者排水，实现无人船的下潜、上浮及纵横倾的调整。

5.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，所述第一翼板、第二翼板在以无人船行进方向上的前后位置设有水平舵。

6.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，还设有惯性传感器，用于检测无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动状态。

7.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，所述中间船体、第一侧船体、第二侧船体均采用横剖面近似椭圆的流线型外壳结构。

8.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，所述第一翼板、第二翼板均采用流线型结构。

9.根据权利要求1所述的可倾覆翻转与下潜的无人船，其特征在于，所述水平舵采用流线型结构。

10.根据权利要求1-9任一项所述的可倾覆翻转与下潜的无人船的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

无人船根据任务需求选择水面航行模式和水下航行模式，或者根据海况情况自适应航行，在自适应航行状态，无人船根据自身的横摇、纵摇和垂荡运动进行判断，当检测到无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动小于预设阈值时，采用水面航行模式；当检测到无人船的横摇角、纵摇角和垂荡运动超出预设阈值时，采用水下航行模式；

无人船控制压载水舱进排水量切换水面航行模式和水下航行模式；

水面航行时，无人船控制压载水舱进排水调整无人船浮态，控制前后压载水舱水量差调整无人船纵倾角度，控制左右压载水舱水量差调整无人船横倾角度，控制下方所有压载水舱同时进排水调整吃水深度；

水面航行时，无人船通过下方入水的推进器进行推进，上方推进器处于关闭状态，当检测到船舶发生倾覆翻转时，切换上下方推进器的工作状态，使翻转后的下方推进器保持工作状态，而上方推进器处于关闭状态，通过改变下方推进器的推力大小或方向，基于差动推进控制无人船的航向；

水下航行时，所有推进器同时工作，通过改变推进器的推力大小或方向，基于差动推进控制无人船的航向；

水下航行时，无人船控制水平舵的舵角产生垂直向上或向下的升力，控制航行时的姿态。