CN208715410U - 基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船；主要由船体、动力系统和控制系统组成：船体主要包括外侧船体、中间船体和框架结构；中间船体的左右两侧分别设有一个外侧船体；中间船体的尾部后端安装有螺旋桨，每个外侧船体的尾部下端安装有无刷电机推进器；风轮机主轴与直角齿轮箱纵向连接，直角齿轮箱和电磁离合器通过输入轴横向连接，电磁离合器的另一端通过输出轴与螺旋桨连接。本实用新型的利用风力和太阳能混合的形式规避单种自然能源的局限，续航力好，操作性好，尤其利于转向。

Description

基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船

技术领域

本实用新型涉及一种无人船，特别涉及一种基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船。

背景技术

作为无人设备的一个重要分支，无人船借助近些年无人设备概念的大热也逐渐受到业内人士关注，并凭借其所具有的价格低廉，结构简单，操纵方便等优点，开始在海洋相关领域内大展拳脚。在此背景下，业内科研技术人员也不断对无人船的技术进行革新，为拓展其应用范围作出不懈努力，这其中就包括对解决无人船远程续航的研究。

首先在航行过程中利用自然能源作为无人船能源补充是业内共识，但如何规避自然能源的局限性是一大难点。其次为提高能量利用率，有学者提出直接利用自然力作为无人船螺旋桨的驱动力，例如直接利用风力带动风轮转动而后通过机械传动机构将转矩传递给螺旋桨，但是由于风力等自然力的不可控性，在自然力充足的条件下无人船会受到持续作用而无法按操作人员意图及时的启动或停止。利用离合器和刹车机构等机械装置可以在一定程度上实现对无人船的操控，但或多或少都有不尽如人意的地方，例如离合器无法在输入端高转速情况下闭合，刹车机构会造成能源浪费并增加机械结构的复杂程度。

综上所述，如能合理的规避自然能源的缺点，并针对利用自然能源过程中所遇到的操控难题提出解决方案，对于无人船的应用与推广具有重大意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于利用风力和太阳能混合的形式规避单种自然能源的局限，提供一种高效利用风能和太阳能，续航力好，操作性好，尤其利于转向的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船。

本实用新型通过风力直接驱动螺旋桨的形式提高的无人船对风能的利用效率；针对风力直接推进的动力形式设计新型部件，从而实现在风力驱动模式下对无人船启动或停止的自由操控。

本实用新型目的通过以下技术手段实现：

一种基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，主要由船体、动力系统和控制系统组成：

所述船体主要包括外侧船体、中间船体和框架结构；外侧船体和中间船体间隔设置在框架结构下端，中间船体的左右两侧分别设有一个外侧船体；

所述动力系统包括风轮机、太阳能系统、蓄电池、直角齿轮箱、电磁离合器、无刷电机推进器和螺旋桨组成；中间船体的尾部后端安装有螺旋桨，每个外侧船体的尾部下端安装有无刷电机推进器；风轮机主轴与直角齿轮箱纵向连接，直角齿轮箱和电磁离合器通过输入轴横向连接，电磁离合器的另一端通过输出轴与螺旋桨连接；所述太阳能系统主要为太阳能电池板；太阳能电池板设置在框架结构的上表面；

所述控制系统主要由风光互补控制器和控制主板组成；风光互补控制器输出端接口分别与第一太阳能电池板、第二太阳能电池板和风轮机发电机连接，输入端与蓄电池连接，蓄电池还分别与控制主板和无刷电机推进器连接，无刷电机推进器与控制主板连接；

所述电磁离合器的输入端外壳和输出端外壳之间设有对接板，形成两个密封空腔；一个密封空腔内分别设有主动转子和永磁体；另一个密封空腔内设有从动转子和电刷；输入端外壳和输出端外壳中心均有通孔，通孔内设有滚珠轴承，对接板中心两侧均设置有凹槽，凹槽内设有轴承；输入轴和输出轴分别从输入端外壳和输出端外壳的中心通孔深入两个密封空腔，并固定在对接板中心两侧凹槽内的轴承上；输入轴和输出轴分别与主动转子和从动转子连接；主动转子为一端开口的筒体结构，筒体内壁上安装环形的永磁体；从动转子外端设有线圈，线圈与永磁体形成间隔；线圈的正负极分别与电刷的正极电刷和负极电刷相连，正极电刷和负极电刷分别与正极电刷圈和负极电刷圈相接；正极电刷圈和负极电刷圈的输出端分别设有正极接线柱和负极接线柱，正极接线柱和负极接线柱伸出密封空腔外；控制主板通过导线与电磁离合器的正极接线柱和负极接线柱连接。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述外侧船体主要由两侧片体和两侧片体封板通过防水密封胶连接组成；两侧片体封板下端的两侧片体内设有两侧片体内底甲板；两侧片体内底甲板上的两侧片体内部前端通过一道纵向的电池纵舱壁和两道横向的电池横舱壁形成个腔室，每个腔室内放置一个蓄电池。

优选地，所述中间船体主要由中间片体和中间片体封板通过防水密封胶连接组成；中间片体封板下端的中间片体中间片体内设有中间片体内底甲板；中间片体封板上留有开孔，供风轮机主轴穿过；中间片体后端留有开孔；中间片体内底甲板上装有直角齿轮箱和电磁离合器。

优选地，所述风轮机主要由风轮机叶片、风轮机叶片连接板、风轮机主轴和风轮机发电机组成；多块风轮机叶片以风轮机主轴为中心线，沿周向竖直间隔设置，每块风轮机叶片的上下端分别与风轮机叶片连接板连接，风轮机发电机设置在风轮机主轴上。

优选地，所述输入端外壳、输出端外壳和对接板均由铝合金材料制成，外壳厚度为5mm，其中输入端外壳和输出端外壳为一端开放的圆筒结构，对接板为一凸形弯板；所述电刷和电刷圈均由纯铜制成，电刷圈直径为5‐10cm；所述线圈型号选用AWG4，匝数为60；所述主动转子由铝合金材料制成，为一碗状圆盘，内径为6‐11.5cm，轴向长度为6‐10cm，四周预留有四个安装凹槽；从动转子由硅钢制成，直径为5‐10cm，厚度为1‐5cm；所述永磁体选用钕铁硼磁体，牌号为N45H，长度为4‐8cm。

优选地，风光互补控制器和控制主板均安装在控制设备箱内，控制设备箱位于中间片体封板上方；控制主板选用ARM嵌入式开发控制板TMS320C6657，其上整合有华为ME909S‐120Mini PCIe 4G无线通信模块，控制主板上集成有4G通信模块；所述风光互补控制器选用型号为GWS800W。

优选地，所述无刷电机推进器其型号为NR‐36L；所述螺旋桨用标准MAU4桨，由铜合金制成，直径为250mm；所述风轮机发电机选用NE‐300W双伸轴式发电机；直角齿轮箱选用20cm六方轴齿轮箱，变速比为1:2；所述输入轴和输出轴均由不锈钢材料制成，直径为2cm，长度为600mm；所述蓄电池选用超威12V/20AH铅蓄电池。

优选地，所述风轮机叶片由玻璃钢材料制成，选用NACA0018翼型，弦长为25cm，翼展为1.6m；所述风轮机叶片连接板由铝合金材料制成，长度为0.8m，厚度为2cm；所述风轮机主轴由铝合金材料制成，直径为2cm，长度为2.1m；所述风轮机叶片通过螺丝与风轮机叶片连接板外端相连，风轮机叶片连接板内端与风轮机主轴焊接。

优选地，所述太阳能电池板主要包括第一太阳能电池板和第二太阳能电池板；第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别设置在框架结构上表面；所述第一太阳能电池板为200W太阳能电池板；所述第二阳能电池板为50W太阳能电池板；

所述框架结构的4根长横边框间隔设置，中间两根长横边框两端由2根中纵边框连接，每根中纵边框两端分别连接1根长纵边框；2根长横边框和2根长纵边框的中部分别设有1根长横支撑架和长纵支撑架；2根中纵边框之间间隔设有2根短纵边框，中纵边框和短纵边框纵向设有短纵支撑架，横向设有短横支撑架，短纵边框和短纵支撑架一端与长横边框连接，另一端与短横边框连接；两块第一太阳能电池板固定在两根长横边框和两根长纵边框形成的区域上；第二太阳能电池板固定在两根中纵边框和两短纵边框形成的区域内。

优选地，所述两侧片体、中间片体、中间片体内底甲板、中间片体封板、两侧片体底甲板、两侧片体封板、电池横舱壁、电池纵舱壁均由玻璃钢材料制成，厚度为5mm；

所述正极接线柱和负极接线柱连接的线路上设有线圈开关，线圈开关设置在控制主板上。

相对于现有技术，本实用新型具有如下技术优势：

1.以可再生能源作为无人船的动力来源，续航力得到极大提升。在航行过程中，无人船可以通过自身携带的太阳能板及风轮获取自然能源，并将其转化自身可用的推进力和电能。由于海上风能资源相对充足，因此可以在一定程度上满足无人船航行所需，而太阳能作为风能的补充，可以进一步为无人船储备能源。在这两种能源组合的形式下，无人船基本靠自然能源来运行，完全不需要消耗柴油等传统的船舶动力能源，也摆脱了一般以传统蓄电池作为动力的无人船需要采用岸电充电的限制，因此可以获得相对更长的续航力。

2.将电磁离合器加入到风力推进机械系统中，为高效利用风能提供了前提条件。这一电磁离合器的引入，避开了传统的机械式离合器在风轮转轴与螺旋桨/发电机转轴之间转换时，传动齿轮机械损伤的缺陷。同时，也使操作人员可以更加灵活、便捷地对无人船的进行控制。本实用新型所述电磁离合器的采用和异步电动机相似的原理实现转矩的传递，并通过控制线圈电路的闭合与断开实现离合器的闭合与断开。由于输入轴和输出轴之间没有直接的机械连接，因此不需要考虑离合器闭合时的载荷冲击，可以在任意时刻实现断开与闭合。并且整个线圈电路的开关整合在控制主板上，通过对控制主板发出相关指令即可完成离合器的闭合与断开，可以对无人船进行灵活的操纵，为无人船高效利用风能提供了前提条件。同时，也为操作人员操控无人船带来了便利。

3.具有更高的风能利用效率。本实用新型所述无人船在航行状态下均，作为主推进装置的中心片体螺旋桨采用风轮风能经过电磁离合器直接变为驱动螺旋桨产生推进力的桨轴转矩的推进方式工作。相比起由风能转化为电能、再由电能转化为推进力的能量转化过程，这种推进方式减少了由风能转化为推进力的能量损耗，从而可以获得更高的风能利用效率。当无人船白天或晚上停航无需推进力时，通过电磁离合器的配合，风轮可以在风中始终保持旋转状态。进这时风轮所产生的风能通过电磁离合器与风轮旋转主轴连接在一起的发电机将富余的风能转换为电能后，与太阳能板所产生的电能一起储存于蓄电池中，供驱动作为辅助推进装置、设置于两个侧体的无刷电机螺旋桨推进器时使用，从而可提高了风能的利用效率。

4.技术可靠、推进效率高。由于在风力推进机械系统中引入了电磁离合器，解决了直接将风轮转矩转化为螺旋桨推进力的实际应用障碍，为将螺旋桨作为无人船的推进器创造了基础条件。与其他类型的船舶推进器相比，本实用新型所述无人船所采用的螺旋桨推进器已经被长期的实践证明是一种技术更加可靠、推进效率最高的推进器。

5.具有更加优良的操纵性。本实用新型所述无人船主体采用“三螺旋桨+三体船”设计。在这样一种船体结构系统中，中心片体螺旋桨承担了主推进装置的功能，而两个侧体及其附属螺旋桨起到了辅助推进以及转艏与横向运动操纵装置的作用。作业人员可以通过控制设置于两个侧体的无刷电机螺旋桨的转速与转向这样一种差动控制方式，使这两个螺旋桨对无人船起到了“转艏控制器”的作用。根据对无人船操纵的要求，作业人员通过控制两个侧体螺旋桨的转速与转向，可以为无人船提供一个转艏诱导力矩作用于所述无人船两个侧体上，使所述的侧体产生一个艏向变化角，由此产生作用于侧体的横向升力，促使无人船主体水平转向，从而实现对所述无人船水平方向的转艏或横向运动的灵活操纵。

6.多种能源补给方式为无人船的动力提供更多保障。无人船在航行时以风力驱动风轮带动中心片体螺旋桨旋转的模式作为主推进形式，由于风力资源在海上相对充足，因此基本可以满足无人船的航行所需。而当风力资源不足或者风力推进部分出现问题时，在电磁离合器的配合下，风力推进部分的连接断开，无人船转而以储存于蓄电池的储备能源驱动设置于两个侧体的无刷电机螺旋桨的辅助推进形式维持无人船的长时间的航行。这种储备能源暨可以由平时太阳能板收集的太阳能和风轮收集的富余风能所产生、并储存于蓄电池电能而得到，也可以在无人船停靠码头时，通过岸电给蓄电池充电而取得。因此使得无人船具有更强的动力保障能力。

7.结构简单，设计及储备余量大，可以胜任多种任务。本实用新型所述无人船采用模块化理念设计，各部分均已在满足设计目标的基础上进行了精简。与此同时，根据设计参数，本实用新型所述无人船仍留有约400kg的载荷，配合铝合金框架上的剩余空间，可以根据实际任务情况对无人船进行改造，从而使其更好的适应不同的任务。

附图说明

图1是基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船的结构示意图。

图2是中间片体装配的示意图。

图3‐1是两侧片体装配的纵剖图。

图3‐2是两侧片体装配的横剖图。

图4是框架结构的结构示意图。

图5是电磁离合器的结构示意图。

图6是电磁离合器从动转子的结构示意图。

图7是电磁离合器的电刷圈示意图。

图8是电磁离合器的传动原理图。

图9是电磁离合器线圈回路电路示意图。

图10是本实用新型控制系统电路连接示意图。

图中示出：两侧片体1、无刷电机推进器2、中间片体3、螺旋桨4、框架结构5、第一太阳能电池板6、第二太阳能电池板7、风轮机8、控制设备箱9、中间片体内底甲板10、中间片体封板11、风轮机叶片12、风轮机叶片连接板13、风轮机主轴14、风轮机发电机15、直角齿轮箱16、输入轴17、电磁离合器18、输出轴19、两侧片体内底甲板20、两侧片体封板21、电池横舱壁22、蓄电池23、电池纵舱壁24、长横边框25、长纵边框26、中纵边框27、长横支撑架28、长纵支撑架29、短横边框30、短纵边框31、短横支撑架32、短纵支撑架33、输入端外壳34、滚珠轴承35、主动转子36、永磁体37、陶瓷轴承38、对接板39、正极接线柱40、正极电刷圈41、正极电刷42、线圈43、从动转子44、负极电刷45、输出端外壳46、负极电刷圈47、负极接线柱48、螺丝49、风光互补控制器50、控制主板51、线圈开关52。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

如图1、2、3‐1、3‐2、4、5、10所示，一种基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，主要由船体、动力系统和控制系统组成：

所述船体主要包括中间船体、外侧船体和框架结构5；外侧船体和中间船体3间隔设置在框架结构5下端，中间船体的左右两侧分别设有一个外侧船体；

所述动力系统包括风轮机、太阳能系统、蓄电池23、直角齿轮箱16、电磁离合器18、无刷电机推进器2和螺旋桨4组成；中间船体的尾部后端安装有螺旋桨4，每个外侧船体的尾部下端安装有无刷电机推进器2；风轮机主轴14与直角齿轮箱16纵向连接，直角齿轮箱16和电磁离合器18通过输入轴17横向连接，电磁离合器18的另一端通过输出轴19与螺旋桨4连接；所述太阳能系统主要包括第一太阳能电池板6和第二太阳能电池板7；第一太阳能电池板6和第二太阳能电池板7分别设置在框架结构5上表面；

如图9示，所述控制系统主要由风光互补控制器50和控制主板51组成；风光互补控制器50输出端接口分别与第一太阳能电池板6、第二太阳能电池板7和风轮机发电机15连接，输入端与蓄电池23连接，蓄电池23还分别与控制主板51和无刷电机推进器2连接，无刷电机推进器2与控制主板51连接。所述风光互补控制器50和控制主板51在控制设备箱9内。

优选地，控制主板选用ARM嵌入式开发控制板TMS320C6657，其上整合有华为ME909S‐120Mini PCIe 4G无线通信模块，控制主板上集成有4G通信模块；风光互补控制器选用型号为GWS800W。

如图5‐9所示，所述电磁离合器18主要由输入端外壳34、滚珠轴承35、主动转子36、永磁体37、陶瓷轴承38、对接板39、正极接线柱40、正极电刷圈41、正极电刷42、线圈43、从动转子44、负极电刷45、输出端外壳46、负极电刷圈47和负极接线柱48组成；输入端外壳34和输出端外壳46之间设有对接板39，形成两个密封空腔；一个密封空腔内分别设有主动转子36和永磁体37；另一个密封空腔内设有从动转子44和电刷；输入端外壳34和输出端外壳46中心均有通孔，通孔内设有滚珠轴承35，对接板39中心两侧均设置有凹槽，凹槽内设有轴承；输入轴17和输出轴19分别从输入端外壳34和输出端外壳46的中心通孔深入两个密封空腔，并固定在对接板39中心两侧凹槽内的轴承上；输入轴17和输出轴19通过键分别与主动转子36和从动转子44连接；主动转子36为一端开口的筒体结构，筒体内壁上设有凹槽，凹槽上安装环形的永磁体37，永磁体37内端通过陶瓷轴承38安装在对接板39上；从动转子44外端设有线圈43，线圈43与永磁体37形成间隔；线圈43的正负极分别与正极电刷42和负极电刷45相连，正极电刷42和负极电刷45的触点分别与正极电刷圈41和负极电刷圈47相接触；正极电刷圈41和负极电刷圈47的输出端分别设有正极接线柱40和负极接线柱48，正极接线柱40和负极接线柱48伸出密封空腔外；控制主板51通过导线与电磁离合器18的正极接线柱40和负极接线柱48连接，正极接线柱40和负极接线柱48连接的线路上设有线圈开关52，线圈开关52优选设置在控制主板51上。正极电刷圈41和负极电刷圈47外部包裹有绝缘皮并通过绝缘胶连接在输出端外壳内部。

下面结合图5、图8和图9说明电磁离合器的传动与开闭原理：直角齿轮箱16对输入轴17输出转矩使其转动，输入轴17通过键配合带动主动转子36转动，安装在主动转子36凹槽中的永磁体37随着一起转动进而产生旋转的磁场，与缠绕在从动转子44上的线圈43产生相对运动。线圈43因此产生切割磁感线的效果进而产生感应电动势。

当电磁离合器18处于闭合状态时，即集成在控制主板51上的开关闭合时，线圈43、正极接线柱40、正极电刷圈41、正极电刷42、负极电刷45、负极电刷圈47、负极接线柱48、线圈开关52构成的回路闭合。在感应电动势作用下，线圈43回路中有感应电流产生。感应电流在磁场中会受到安培力作用，安培力直接作用在线圈43上并传递至从动转子44带动其开始转动，从动转子44通过键配合将转矩传递给输出轴19从而完成转矩的传递。

当电磁离合器18处于断开状态时，及集成在控制主板51上的开关断开时，圈43、正极接线柱40、正极电刷圈41、正极电刷42、负极电刷45、负极电刷圈47、负极接线柱48、线圈开关52构成的回路断开。虽然仍会有感应电动势产生，但是断路中不会有电流产生，因此线圈43不会受到任何力的作用而带动从动转子44转动，所以输出轴19也就静止不动。

优选地，输入端外壳、输出端外壳和对接板均由铝合金材料制成，外壳厚度为5mm，其中输入端外壳和输出端外壳为一端开放的圆筒结构，对接板为一凸形弯板；电刷和电刷圈均由纯铜制成，电刷圈直径为5‐10cm；线圈型号选用AWG4，匝数为60；主动转子由铝合金材料制成，为一碗状圆盘，内径为6‐11.5cm，轴向长度为6‐10cm，四周预留有四个安装凹槽；从动转子由硅钢制成，直径为5‐10cm，厚度为1‐5cm；永磁体选用钕铁硼磁体，牌号为N45H，长度为4‐8cm。

所述风轮机主要由风轮机叶片12、风轮机叶片连接板13、风轮机主轴14和风轮机发电机15组成；多块风轮机叶片12以风轮机主轴14为中心线，沿周向竖直间隔设置，每块风轮机叶片12的上下端分别与风轮机叶片连接板13连接，风轮机发电机15设置在风轮机主轴14上。

优选地，无刷电机推进器其型号为NR‐36L；所述螺旋桨4用标准MAU4桨，由铜合金制成，直径为250mm；风轮机发电机15选用NE‐300W双伸轴式发电机；直角齿轮箱16选用20cm六方轴齿轮箱，变速比为1:2；输入轴和输出轴均由不锈钢材料制成，直径为2cm，长度为600mm；蓄电池选用超威12V/20AH铅蓄电池。

如图3‐1和3‐2所示，外侧船体由两侧片体1和两侧片体封板21通过防水密封胶连接组成；两侧片体封板21下端的两侧片体1内设有两侧片体内底甲板20，优选两侧片体1内距底部100cm处设置有两侧片体内底甲板20；两侧片体内底甲板20上的两侧片体内部前端通过一道纵向的电池纵舱壁24和两道横向的电池横舱壁22形成4个腔室，每个腔室内放置一个蓄电池23；两侧片体1后端留有开孔，用于连接无刷电机推进器2。

如图2所示，中间船体由中间片体3和中间片体封板11通过防水密封胶连接组成；中间片体封板11下端的中间片体3中间片体3内设有中间片体内底甲板10，优选中间片体3内距底部100cm处设置有中间片体内底甲板10；中间片体封板11上留有开孔，供风轮机主轴14穿过；中间片体3后端留有开孔，用于连接螺旋桨4；中间片体内底甲板10上装有直角齿轮箱16和电磁离合器18。

优选地，两侧片体、中间片体、中间片体内底甲板、中间片体封板、两侧片体底甲板、两侧片体封板、电池横舱壁、电池纵舱壁均由玻璃钢材料制成，厚度为5mm。

如图1和图4所示，两侧船体和中间船体通过螺丝与框架结构5固连，框架结构5优选由铝合金制备；框架结构5优选由横向的4根长横边框25、2根长横支撑架28、1根短横边框30和2根短横支撑架32短以及纵向的4根长纵边框26、2根纵向的中纵边框27、2根短纵边框31、2根短纵支撑架33和2根长纵支撑架29组成；4根长横边框25间隔设置，中间两根长横边框25两端由2根中纵边框27连接，每根中纵边框27两端分别连接1根长纵边框26；2根长横边框25和2根长纵边框26的中部分别设有1根长横支撑架28和长纵支撑架29；2根中纵边框27之间间隔设有2根短纵边框31，中纵边框27和短纵边框31纵向设有短纵支撑架33，横向设有短横支撑架32，短纵边框31和短纵支撑架33一端与长横边框25连接，另一端与短横边框30连接；优选两块第一太阳能电池板6固定在两根长横边框25和两根长纵边框26形成的区域上；优选第二太阳能电池板7固定在两根中纵边框27和两根短纵边框31形成的区域内。优选长横边框尺寸为1660*40*45mm；长纵边框尺寸为808*40*45mm；短纵边框尺寸为505*20*45mm；中纵边框尺寸为724*40*45mm；短横边框尺寸为1580*20*45mm；长纵支撑架尺寸为808*20*10mm mm；长横支撑架尺寸为780*20*10mm；短纵支撑架尺寸为505*20*20mm；短横支撑架尺寸为297.5*20*20mm。所述第一太阳能电池板6为200W太阳能电池板；所述第二阳能电池板7为50W太阳能电池板。

对该三体无人船的航行模式及原理进行说明：本实用新型基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船共有两种航行模式。

其一是利用风力直接推进的方式，即风轮机8获取风能并将其转化为旋转的机械能，通过风轮机主轴14将机械能传递至直角齿轮箱16。直角齿轮箱16将风轮机主轴14输入转速扩大为原有的两倍，而后由输出端传递给输入轴17，输入轴17将转矩继续传递至电磁离合器18的输入端，而后由电磁离合器18再向后传递给输出轴19，并由输出轴19将转矩最终传递给螺旋桨4使其旋转，进而使无人船获得向前航行的推进力。在此种动力形式下，以螺旋桨4作为主要的推进动力来源，控制主板51接收操纵人员的控制信号，经处理后发出控制信号控制无刷电机推进器2开始或停止工作，无刷电机推进器2工作的目的是利用两推进器之间的转速差实现无人船的转弯操作。

其二是仅利用无刷电机推进器2航行，即在风力资源不足或风力推进部分发生故障的情况下，螺旋桨4由于得不到足够的转矩而停止工作，此时控制主板51接收操纵人员的控制信号，经处理后发送控制信号给无刷电机推进器2使其一直保持开机状态。与此同时，根据岸上的控制指令，对两无刷电机推进器2的转速进行调控产生转速差，实现无人船在此种动力形式下的转弯操纵。

结合图10说明无人船的能源分配：风轮机发电机15、第一太阳能电池板6、第二太阳能电池板7将自然能量转化为电能后输入至风光互补控制器50。风光互补控制器50整流之后输出电能为蓄电池23充电，蓄电池23为控制主板51和无刷电机推进器2提供电能。

在日常使用时，本实用新型所述的三体无人船可以通过以下几种方式补充储备电能：(1)在停泊时，无人船可以通过与岸上设备相连，利用岸电对无人船携带的蓄电池23进行补充。(2)在停泊时，可在电磁离合器28的配合下断开输入轴17和输出轴18之间的连接，利用风轮机发电机15、第一太阳能电池板6和第二太阳能电池板7转化可再生能源为电能对蓄电池23进行补充。(3)在航行过程中，可以利用风轮机发电机15、第一太阳能电池板6和第二太阳能电池板7转化可再生能源为电能为蓄电池23充电。

需要强调的是，在本实用新型基础上，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于，主要由船体、动力系统和控制系统组成：

所述船体主要包括外侧船体、中间船体和框架结构；外侧船体和中间船体间隔设置在框架结构下端，中间船体的左右两侧分别设有一个外侧船体；

所述动力系统包括风轮机、太阳能系统、蓄电池、直角齿轮箱、电磁离合器、无刷电机推进器和螺旋桨组成；中间船体的尾部后端安装有螺旋桨，每个外侧船体的尾部下端安装有无刷电机推进器；风轮机主轴与直角齿轮箱纵向连接，直角齿轮箱和电磁离合器通过输入轴横向连接，电磁离合器的另一端通过输出轴与螺旋桨连接；所述太阳能系统主要为太阳能电池板；太阳能电池板设置在框架结构的上表面；

所述控制系统主要由风光互补控制器和控制主板组成；风光互补控制器输出端接口分别与第一太阳能电池板、第二太阳能电池板和风轮机发电机连接，输入端与蓄电池连接，蓄电池还分别与控制主板和无刷电机推进器连接，无刷电机推进器与控制主板连接；

所述电磁离合器的输入端外壳和输出端外壳之间设有对接板，形成两个密封空腔；一个密封空腔内分别设有主动转子和永磁体；另一个密封空腔内设有从动转子和电刷；输入端外壳和输出端外壳中心均有通孔，通孔内设有滚珠轴承，对接板中心两侧均设置有凹槽，凹槽内设有轴承；输入轴和输出轴分别从输入端外壳和输出端外壳的中心通孔深入两个密封空腔，并固定在对接板中心两侧凹槽内的轴承上；输入轴和输出轴分别与主动转子和从动转子连接；主动转子为一端开口的筒体结构，筒体内壁上安装环形的永磁体；从动转子外端设有线圈，线圈与永磁体形成间隔；线圈的正负极分别与电刷的正极电刷和负极电刷相连，正极电刷和负极电刷分别与正极电刷圈和负极电刷圈相接；正极电刷圈和负极电刷圈的输出端分别设有正极接线柱和负极接线柱，正极接线柱和负极接线柱伸出密封空腔外；控制主板通过导线与电磁离合器的正极接线柱和负极接线柱连接。

2.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述外侧船体主要由两侧片体和两侧片体封板通过防水密封胶连接组成；两侧片体封板下端的两侧片体内设有两侧片体内底甲板；两侧片体内底甲板上的两侧片体内部前端通过一道纵向的电池纵舱壁和两道横向的电池横舱壁形成个腔室，每个腔室内放置一个蓄电池。

3.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述中间船体主要由中间片体和中间片体封板通过防水密封胶连接组成；中间片体封板下端的中间片体中间片体内设有中间片体内底甲板；中间片体封板上留有开孔，供风轮机主轴穿过；中间片体后端留有开孔；中间片体内底甲板上装有直角齿轮箱和电磁离合器。

4.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述风轮机主要由风轮机叶片、风轮机叶片连接板、风轮机主轴和风轮机发电机组成；多块风轮机叶片以风轮机主轴为中心线，沿周向竖直间隔设置，每块风轮机叶片的上下端分别与风轮机叶片连接板连接，风轮机发电机设置在风轮机主轴上。

5.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述输入端外壳、输出端外壳和对接板均由铝合金材料制成，外壳厚度为5mm，其中输入端外壳和输出端外壳为一端开放的圆筒结构，对接板为一凸形弯板；所述电刷和电刷圈均由纯铜制成，电刷圈直径为5‐10cm；所述线圈型号选用AWG4，匝数为60；所述主动转子由铝合金材料制成，为一碗状圆盘，内径为6‐11.5cm，轴向长度为6‐10cm，四周预留有四个安装凹槽；从动转子由硅钢制成，直径为5‐10cm，厚度为1‐5cm；所述永磁体选用钕铁硼磁体，牌号为N45H，长度为4‐8cm。

6.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：风光互补控制器和控制主板均安装在控制设备箱内，控制设备箱位于中间片体封板上方；控制主板选用ARM嵌入式开发控制板TMS320C6657，其上整合有华为ME909S‐120Mini PCIe4G无线通信模块，控制主板上集成有4G通信模块；所述风光互补控制器选用型号为GWS800W。

7.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述无刷电机推进器其型号为NR‐36L；所述螺旋桨用标准MAU4桨，由铜合金制成，直径为250mm；所述风轮机发电机选用NE‐300W双伸轴式发电机；直角齿轮箱选用20cm六方轴齿轮箱，变速比为1:2；所述输入轴和输出轴均由不锈钢材料制成，直径为2cm，长度为600mm；所述蓄电池选用超威12V/20AH铅蓄电池。

8.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述风轮机叶片由玻璃钢材料制成，选用NACA0018翼型，弦长为25cm，翼展为1.6m；所述风轮机叶片连接板由铝合金材料制成，长度为0.8m，厚度为2cm；所述风轮机主轴由铝合金材料制成，直径为2cm，长度为2.1m；所述风轮机叶片通过螺丝与风轮机叶片连接板外端相连，风轮机叶片连接板内端与风轮机主轴焊接。

9.根据权利要求1所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述太阳能电池板主要包括第一太阳能电池板和第二太阳能电池板；第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别设置在框架结构上表面；所述第一太阳能电池板为200W太阳能电池板；所述第二太阳能电池板为50W太阳能电池板；

所述框架结构的4根长横边框间隔设置，中间两根长横边框两端由2根中纵边框连接，每根中纵边框两端分别连接1根长纵边框；2根长横边框和2根长纵边框的中部分别设有1根长横支撑架和长纵支撑架；2根中纵边框之间间隔设有2根短纵边框，中纵边框和短纵边框纵向设有短纵支撑架，横向设有短横支撑架，短纵边框和短纵支撑架一端与长横边框连接，另一端与短横边框连接；两块第一太阳能电池板固定在两根长横边框和两根长纵边框形成的区域上；第二太阳能电池板固定在两根中纵边框和两短纵边框形成的区域内。

10.据权利要求9所述的基于风力和太阳能联合驱动的三体无人船，其特征在于：所述两侧片体、中间片体、中间片体内底甲板、中间片体封板、两侧片体底甲板、两侧片体封板、电池横舱壁、电池纵舱壁均由玻璃钢材料制成，厚度为5mm；

所述正极接线柱和负极接线柱连接的线路上设有线圈开关，线圈开关设置在控制主板上。