CN208855818U - 一种自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，包括前倾片体、水密箱式连接桥、翼型稳定立柱、鱼雷形潜体、垂荡发电系统、太阳能发电系统、推进系统以及控制系统；两个前倾片体通过水密箱式连接桥连接形成门式结构，两个鱼雷形潜体设置在两个前倾片体的下方，每个鱼雷形潜体通过至少两个分隔设置的翼型稳定立柱与前倾片体连接；翼型稳定立柱为横剖面是NACA翼型的空心结构，翼型稳定立柱上端与前倾片体固定连接，下端与鱼雷形潜体固定连接；本实用新型具有航向稳定性好、长续航、稳定抗倾覆等优点，并且具备倾覆后自扶正能力。

Description

一种自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船

技术领域

本实用新型涉及无人船技术领域，特别是涉及一种自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船。

背景技术

无人船是一种在地面的基站或母船控制中心的远程监控下以自主或遥控方式航行于水面并完成特定任务的新型水面运动平台，在海洋环境监测、海洋水文数据观测还是海洋灾害预警领域乃至军事领域，无人船均扮演着重要的角色。

长期以来，人工采集一直是近海水质采样的主要手段。通常意义上的近海水质人工采集是指采样人员乘坐工作船舶到达指定海域并借助采样设备采集海水样本，在采样过程中，人员需要全程现场参与，采样周期较长，无法快速、准确反映水质污染情况，并且为了保障人员安全，人工采集不可避免地动用吨位较大船舶，造成巨大的人力物力浪费。此外，恶劣海况下进行人工采集还会威胁采样人员生命安全。人工采集已经越来越不符合海洋测量装备自动化、智能化的发展趋势。

近年来，无人船等无人移动监测平台逐渐应用到水质检测领域，并随着通讯、控制、人工智能等技术飞速发展，集成本低廉、通讯可靠、定位方便、易于控制等诸多优点于一身的无人船正逐步成为海洋探测领域的研究热点之一。绿色化、智能化将成为船舶领域下一步发展的重点之一。具体来说，是通过突破船体线型设计技术、结构优化技术、减阻降耗技术、高效推进技术、清洁能源及可再生能源利用技术等，研制出节能环保型船舶；通过突破自动化技术等信息技术在船舶上的应用关键技术，实现航行自动化、机械自动化、装载自动化，并实现航线规划、船舶驾驶、航姿调整、设备监控等，提高船舶的智能化水平。无人船正是顺应绿色化、智能化的潮流而诞生的。

然而，受限于传统的能源供应方式，无人船的续航力已经远不能满足远距离海水采样需求。现有的水质采样无人船大多针对内河、湖泊、港口等小范围水域设计，船舶续航能力小(<10km)，航海性能差，无法进行复杂的远距离海上采样作业，这无疑会影响到无人船进一步的发展。进行传统能源远距离海水采样无人船总体设计时，存在相互矛盾、多学科耦合的复杂现象，为了保证无人船续航力，就不得不增加能量来源如增加锂电池数量或燃油储存量，这就需要更多的船体布置空间，进而导致船体主尺度增大，结构重量增加，排水量增加，进而阻力增加，而阻力增加又会导致耗能加快，不利于续航力的保证；纵使能量来源大于能耗增加量，无人船续航力得到了保证，但此时无人船的船体重量和建造成本或已和人工采集搭乘的有人船舶无异，这就违背了运用无人船进行远距离海水采样的初衷。无人船的续航力问题已经成为限制远距离海水采样无人船发展的技术瓶颈。

此外，远距离海水采样无人船排水量较小，对风、浪、流等外力干扰较为敏感，容易出现倾覆、偏航等问题，且其远离海岸作业，在倾覆等意外情况下可能因人员不能及时干预而导致财产损失，因而在进行无人船设计时需对船舶稳性、耐波性以及航向稳定性乃至自扶正能力等着重考虑，而现有的小范围内陆水域水质采样无人船往往忽视这一点。因此，在传统的电池技术或燃油机技术难以取得革命性突破的背景下，对可再生能源在长续航海水采样无人船设计上的应用开展研究，研发稳性、耐波性以及航向稳定性优良且具备自扶正能力的无人船具有积极的意义。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术中所存在的技术问题，提供一种以可再生的太阳能和波浪能为主要能源、续航力远、航行阻力小、稳性及耐波性能优良、操纵简便的远距离遥控海水采样的太阳能双体无人船。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，包括前倾片体、水密箱式连接桥、翼型稳定立柱、鱼雷形潜体、垂荡发电系统、太阳能发电系统、推进系统以及控制系统；两个前倾片体通过水密箱式连接桥连接形成门式结构，两个鱼雷形潜体设置在两个前倾片体的下方，每个鱼雷形潜体通过至少两个分隔设置的翼型稳定立柱与前倾片体连接；

所述的前倾片体为前倾型船艏、设置多个隔间的圆舭型水密空腔细长体结构；

所述的水密箱式连接桥包括支撑结构、底板和圆弧形上盖；底板和圆弧形上盖之间形成空腔；支撑结构分别与底板和前倾片体连接；

所述的翼型稳定立柱为横剖面是NACA翼型的空心结构，两个翼型稳定立柱任一个的上端与一侧的前倾片体固定连接，下端与同一侧的鱼雷形潜体固定连接；

所述的鱼雷形潜体为两个；两个鱼雷形潜体自后向前依次设置下推进器舱、垂荡水流通道、锂电池舱、垂荡水流通道和应急锂电池舱；垂荡水流通道的竖直投影的外轮廓为圆形，垂荡水流通道竖直贯穿鱼雷形潜体壳体；

所述的垂荡发电系统包括发电机、连接轴、水轮、上水流导向叶片组、上水流加速锥体、下水流导向叶片组和下水流加速锥体；垂荡发电系统共四套，分别设置在两个鱼雷形潜体的前后端；发电机设置在垂荡发电舱内，发电机外壁与前倾片体固定连接；连接轴下部与水轮固定连接，上端与发电机的转子连接；上水流导向叶片组外缘与垂荡水流通道内壁固定连接，内缘与上水流加速椎体固定连接；上水流加速锥体为底面朝下的上小下大锥形空腔结构，并在底面中心处设置垂直于底面、贯穿上水流加速锥体的连接轴通过孔；下水流加速锥体为底面朝上的上大下小锥形空腔结构并在底面中心处设置轴向垂直于底面的轴承；

所述的太阳能发电系统包括柔性太阳能薄膜电池组件和太阳能充电控制器；柔性太阳能薄膜电池组件覆盖在水密箱式连接桥的圆弧形上盖，多个柔性太阳能薄膜电池组件串联连接，并与太阳能充电控制器连接；

所述的推进系统包括螺旋桨、螺旋桨传动轴、推进电机；四个螺旋桨分别设置在两个前倾片体和两个鱼雷形潜体后端并分别通过四个螺旋桨传动轴与四台推进电机连接；

所述的控制系统包括主控计算机、定位导航模块、通信模块、数据采集模块；定位导航模块、通信模块、数据采集模块分别与主控计算机连接，主控计算机与控制站连接，控制站设置在岸上或母船上。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述的双体无人船还包括水质采样系统；所述的水质采样系统包括泵管、泵头、卷管器、蠕动泵、采样箱和废水排放管；泵管为耐腐蚀硅胶软管，泵管穿越水密箱式连接桥的箱体底板伸出船体外并与泵头连接；泵头内部装有水深传感器；泵头和蠕动泵之间以及蠕动泵和采样箱之间均通过泵管连接，废水排放管从蠕动泵废水排放口连接到船体外部空间；卷管器设有固定端和活动端，固定端与蠕动泵连接，活动端与泵头连接。

优选地，所述的前倾片体包括上推进器舱、垂荡发电舱和艏部隔离空舱；上推进器舱、两个垂荡发电舱、艏部隔离空舱自后向前依次设置。

优选地，所述的水密箱式连接桥安装在两个片体之间，两侧分别通过一对支撑结构与两个片体固定连接；电器设备室、采样箱室、采样设备室自后向前依次设置空腔中；电器设备室与采样箱室之间以及采样箱室与采样设备室之间设置拱形横梁，横梁下缘距水密箱式连接桥箱体底板高度不小于240mm。

优选地，位于采样箱室上方的圆弧形上盖与其他圆弧形上盖切割形成弧形水密舱盖，弧形水密舱盖一侧与底板铰接，弧形水密舱盖设置简易把手。

圆弧形上盖上分别设置有语音设备、灯光设备、摄像设备、告警设备、通讯导航设备以及避障设备；语音设备包括扬声器，灯光设备包括探照灯和红白绿三色航行灯，摄像设备包括摄像机，告警设备包括警报器，通讯导航设备包括GNSS天线、定位差分天线、数据传输天线、视屏传输天线；GNSS天线、定位差分天线与GNSS电台连接，数据传输电台、视屏传输天线分别与数据传输电台和视屏传输电台连接；避障设备包括超声波传感器。优选圆弧形上盖的弧长等于柔性太阳能薄膜电池组件长度。

优选地，所述主控计算机为基于PC104总线的PCM‐9375单板计算机；定位导航模块包括GNSS天线、定位差分天线和GNSS信号接收机；GNSS天线与定位差分天线与GNSS信号接收机连接，GNSS信号接收机接入主控计算机；

所述通信模块包括数据传输天线、数据传输电台、视屏传输天线和视屏传输电台；数据传输天线与数据传输电台连接，数据传输电台与主控计算机连接；视屏传输天线与视屏传输电台连接，视屏传输电台与主控计算机连接；

所述数据采集模块包括摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器和水深传感器；摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器、水深传感器分别与主控计算机连接。

优选地，所述GNSS天线、定位差分天线设置在水密箱式连接桥的后端，GNSS信号接收机设置在电器设备室内；数据传输天线设置在水密箱式连接桥的后端，数据传输电台设置在电器设备室内；视屏传输设置天线在水密箱式连接桥的后端，视屏传输电台设置在电器设备室内；摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器分别设置圆弧形上盖上，水深传感器安装在泵头上。

优选地，所述连接轴底端嵌入设置在下水流加速锥体的轴承内，连接轴上端向上穿过上水流加速锥体、翼型稳定立柱，进入片体内，与垂荡发电舱内的发电机的转子连接；水轮的中部为实心圆柱体、实心圆柱体外壁周向焊接若干弧形叶片的盘状结构，弧形叶片端点连线在竖直面内的；上水流导向叶片组、下水流导向叶片组为若干周向布置的导向叶片结构。

优选地，同一个鱼雷形潜体上的两个垂荡水流通道一前一后设置在鱼雷形潜体中轴线上；垂荡水流通道的围壁将鱼雷形潜体内部空间隔离成若干舱室；锂电池舱内布置储能锂电池；应急锂电池舱内布置应急锂电池。

优选地，所述前倾片体、水密箱式连接桥、翼型稳定立柱、鱼雷形潜体均由高强度5086铝合金制成。

本实用新型无人船通过在两个双体船前倾片体中纵剖面上分别设置两个翼型稳定立柱，在不显著增加航行阻力的前提下增加了无人船的航向稳定性，同时，通过上述翼型稳定立柱在前倾片体正下方连接两个放置锂电池等设备的鱼雷形潜体，大大降低了船体重心，提高了无人船的稳性、耐波性，并结合水密箱式连接桥设计，当无人船发生倾覆时能自主翻身扶正；此外，在鱼雷形潜体上设置四套垂荡发电系统将风、浪、流作用下无人船的动能转化为电能，在水密箱式连接桥顶部设置太阳能发电系统将太阳能转化为电能，使本实用新型的发电系统实现全天候发电，并在储能锂电池的辅助下，本实用新型的无人船续航力较远，在通讯不受限制等理想条件下可实现无限续行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)良好的航向稳定性和回转性。良好的航向稳定性可避免无人船在航行过程中为保持航向而频繁操控调整航向，对减小不必要的能量损耗和提高设备寿命均有重要意义，对排水量较小、航向稳定性较差的无人船尤为如此。一方面，本实用新型的无人船采用双体形式，双体船的两个片体使它很容易实现直线航行；另一方面，本实用新型采用翼型稳定立柱设计，翼型稳定立柱的稳定作用，使本实用新型的无人船更加容易实现直线航行，航向稳定性得到极大提高。同时本实用新型的无人船两个片体和两个鱼雷形潜体均设置了推进器，左舷两个螺旋桨和右舷的两个螺旋桨之间的间距较大，无人船静止状态下，一舷的两个螺旋桨正转、另一舷两个螺旋桨反转时，本实用新型可实现原地转向，当无人船航行时，一舷两个螺旋桨转速不同于另一舷的两个螺旋即可获得转船力矩，转船力矩克服转向阻尼，实现快速转向，即本实用新型拥有良好的回转性；综上，本实用新型的无人船拥有良好的航向稳定性和回转性，操纵性能出色。

(2)稳性和耐波性好。一方面，本实用新型采用鱼雷形潜体设计，将质量较大的锂电池等设置在鱼雷形潜体内，大大降低了无人船的重心高度，增强了无人船稳性和耐波性，提高了无人船在风浪中生存能力；另一方面本实用新型采样翼型稳定立柱设计进一步增大了无人船横摇阻尼，进一步提高了本实用新型无人船的稳性和耐波性；图10为运用船舶稳性分析程序Hydromax计算得到的静水中设计排水量、正浮状态下本实用新型无人船的静稳性曲线，本实用新型初稳性高GMt(单位：m)不小于1.604m，即在设计吃水状态下，外力作用使本实用新型无人船产生小角度横倾时，其抵抗倾斜的力矩很大，即使产生小角度倾斜也会立刻回复到平衡状态；在设计吃水状态下，本实用新型无人船的极限静倾角大于51.4°，即在本实用新型无人船发生较大角度倾斜时，只要倾斜角度不大于51.4°，本实用新型均会自动回复至平衡状态；在设计吃水状态下，本实用新型无人船的稳性消失角不小于100°，即只要倾斜角度不大于100°，本实用新型无人船均会产生抵抗船体进一步倾斜的复原力矩。

(3)自扶正能力。本实用新型通过鱼雷形潜体设计使重心较低稳性较好不易倾覆的同时，采用水密箱式连接桥设计，保证当船体倾覆时船体也不进水，倾覆状态下，由于此时无人船重心远离水密箱式连接桥产生浮力的浮心，图11为运用船舶稳性分析程序Hydromax计算得到的静水中设计排水量、倾覆状态下(横倾角180°)本实用新型无人船的静稳性曲线，横坐标A为横倾角(单位：°)，纵坐标GZ为复原力臂(单位：m)。如图11所示：倾覆状态下(横倾角180°)，本实用新型初稳性高GMt(单位：m)不大于0.27m，外力作用使本实用新型无人船产生小角度横倾时，其抵抗倾斜的力矩很小，较小的外力作用下便可让本实用新型发生小角度(小于10°～15°)横倾；本实用新型继续保持倾覆姿态的稳定性极差，极限静倾角不大于10°即倾覆状态下(横倾角180°)本实用新型无人船倾斜角变化量大于10°抵抗倾斜的力矩即消失，在重力和浮力的联合作用下无人船加速倾斜趋向正浮，因而倾覆状态下极小的外力干扰如微弱的风、浪或流即可使本实用新型自主翻身扶正，从而使本实用新型的自主扶正的能力。当无人船在远离海岸的地方作业发生倾覆时，自扶正能力使本实用新型无需人员过多干预即可自主翻身扶正，继续开展水质采样任务或返回海岸进行设备检修。

(4)无限续航。本实用新型的无人船一方面通过船体型线优化设计以及船体布局优化设计，减小了航行阻力；另一方面，本实用新型的太阳能发电系统和垂荡发电系统分别将太阳能和波浪能转化为电能，保证充足本实用新型有的能量来源。船舶在海浪中在船体坐标竖直轴方向上的运动称为垂荡运动，远距离海水采样无人船排水量通常较小，其在风、浪、流中运动时惯性和阻尼均较小，因而在风、浪、流和重力的联合作用下导致的往复垂荡运动响应幅值较大，本实用新型的四套垂荡发电系统的将上述在波浪中垂荡运动的动能转化为电能，确保本实用新型的两大发电系统可持续为无人船提供电能；同时，通过将水密箱式连接桥上表面设计成圆弧形，使柔性太阳能薄膜电池组件获得更大的受光面积；通过翼型稳定立柱设计，增大无人船横摇阻尼较小，提高无人船垂荡运动的方向稳定性，提高垂荡发电系统发电效率；太阳能发电系统和垂荡发电系统保证了无人船的能源供应，确保本实用新型具有较长的续航力；整个无人船系统运行实现能量自给自足，在理想情况下，本实用新型的无人船续航力无限远。图12为运用船舶耐波性分析程序Seakeeper基于切片理论的方法计算得到的设计排水量下本实用新型无人船在浪高1m(实际海况浪高常大于此)、波浪平均周期9s的ITTC双参数海浪谱下的垂荡运动响应幅值随时间变化曲线，横坐标t为时间(单位：s)，纵坐标H为垂荡运动响应幅值(单位：m)，如图12所示，在该海况下，本实用新型的无人船出现较大幅度的垂荡运动，而较大幅度的垂荡运动保证了垂荡发电系统能产生充足的电量。实际上，横摇以及纵摇也可以驱动垂荡发电系统发电，但本实用新型以垂荡运动为主。

(5)全天候作业能力。由于无风、无浪、无流的情况极小出现，本实用新型在海水中的垂荡运动几乎始终存在。日间日照充足时，太阳能发电系统、垂荡发电系统均能为无人船的运转提供电能，夜间或恶劣天气作业时，垂荡发电系统继续工作产生电能，尤其是大风大浪等恶劣海况下，无人船垂荡运动响应幅值大幅增大，水轮转速加快，垂荡发电系统效率提高，产生电能增多，使其在恶劣海况仍然可以执行水质采样任务；在储能锂电池电量不足且发电系统产生的电能盈余时，锂电池智能管理器对储能锂电池充电存储多余电能；在太阳能发电系统、垂荡发电系统产生的电能无法满足无人船用电需求的极端情况下，锂电池智能管理器释放锂电池存储的电能，保证电力供应。综上，本实用新型的无人船具备独立全天候在相关海域持续动态采样的能力。

(6)抗沉性能优越。本实用新型的无人船各片体、鱼雷形潜体以及水密箱式连接桥均水密且两两之间相互独立，某一部分破损进水不影响其他部分的水密性，且两个片体、两个鱼雷形潜体内部均设置了多个独立水密隔舱，极大地增强了本实用新型的抗沉性。

(7)结构紧凑、轻盈合理。本实用新型采用拱形水密箱式连接桥将双体船的两个前倾片体连接起来，并通过翼型稳定立柱将两个鱼雷形潜体与前倾片体相连，各部分紧凑地构成无人船所搭载的所有仪器、装备的布置平台。同时，两个前倾片体、水密箱式连接桥和两个鱼雷形潜体均有质量轻、强度大的铝合金制成。这一结构设计既减轻了本实用新型整体结构重量、增大了太阳能受光面积、提高了垂荡发电系统的发电效率，同时也保证了本实用新型结构强度。即本实用新型表现出了一种结构紧凑、轻盈合理的整体特征。

(8)模块化设计，平台具有通用性。本实用新型的水密箱式连接桥箱体内部空间充裕，可根据实际使用功能更换水密箱式连接桥箱体内部的设备，将本实用新型应用于港口监控、水文勘察、海事搜救等领域，从而使本实用新型成为一个通用的无人船平台，扩大了本实用新型应用范围。

附图说明

图1是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船的外形结构示意图；

图2是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船的侧视图；

图3是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船的俯视图；

图4是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船的前视图；

图5是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船的鱼雷形潜体示意图；

图6是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船鱼雷形潜体A‐A剖面视图；

图7是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船垂荡发电系统结构示意图；

图8是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船垂荡发电系统俯视图；

图9是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船垂荡发电系统B‐B剖面视图；

图10是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船正常状态下复原力臂GZ曲线图；

图11是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船倾覆状态下复原力臂GZ曲线图；

图12是本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船垂荡运动响应幅值随时间变化曲线图。

图中示出：前倾片体1、上推进器舱1‐1、垂荡发电舱1‐2、艏部隔离空舱1‐3、水密箱式连接桥2、支撑结构2‐1、电器设备室2‐2、采样箱室2‐3、采样设备室2‐4、横梁2‐5、底板2‐6和弧形水密舱盖2‐7、翼型稳定立柱3、鱼雷形潜体4、下推进器舱4‐1、垂荡水流通道4‐2、锂电池舱4‐3、应急锂电池舱4‐4、垂荡发电系统5、发电机5‐1、连接轴5‐2、水轮5‐3、上水流导向叶片组5‐4、上水流加速锥体5‐5、下水流导向叶片组5‐6和下水流加速锥体5‐7、太阳能发电系统6、柔性太阳能薄膜电池组件6‐1、推进系统7、螺旋桨7‐1、螺旋桨传动轴7‐2、推进电机7‐3、8为水质采样系统，水质采样系统8、泵管8‐1、泵头8‐2、卷管器8‐3、蠕动泵8‐4、采样箱8‐5、废水排放管8‐6。

具体实施方式

为更好地支持本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的阐述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1‐9所示，一种自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，包括前倾片体1、水密箱式连接桥2、翼型稳定立柱3、鱼雷形潜体4、垂荡发电系统5、太阳能发电系统6、推进系统7、水质采样系统8以及控制系统。两个前倾片体1通过水密箱式连接桥2连接形成门式结构，两个鱼雷形潜体4分别设置在两个前倾片体1的正下方，每个鱼雷形潜体4通过至少两个分隔设置的翼型稳定立柱3与前倾片体1连接。

前倾片体1包括上推进器舱1‐1、垂荡发电舱1‐2和艏部隔离空舱1‐3。前倾片体1内部自后向前依次设置上推进器舱1‐1、两个垂荡发电舱1‐2、艏部隔离空舱1‐3。前倾片体为前倾型船艏、设置多个隔间的圆舭型水密空腔细长体结构；两个前倾片体1分别设置在无人船两舷，左舷、右舷的两个前倾片体1完全相同。

水密箱式连接桥2包括支撑结构2‐1、底板2‐6和圆弧形上盖；底板2‐6和圆弧形上盖之间形成空腔，电器设备室2‐2、采样箱室2‐3、采样设备室2‐4自后向前依次设置空腔中；支撑结构2‐1分别与底板2‐6和前倾片体1连接；水密箱式连接桥2安装在两个前倾片体1之间，两侧分别通过一对支撑结构2‐1与两个片体1固定连接；电器设备室2‐2用于布置电器设备，采样箱室2‐3用于放置采样箱，采样设备室2‐4用于布置采样设备；电器设备室2‐2与采样箱室2‐3之间以及采样箱室2‐3与采样设备室2‐4之间设置拱形横梁2‐5，横梁2‐5下缘距水密箱式连接桥2箱体底板2‐6高度不小于240mm；位于采样箱室2‐3上方的圆弧形上盖与其他圆弧形上盖切割形成弧形水密舱盖2‐7，弧形水密舱盖2‐7一侧与底板2‐6铰接，弧形水密舱盖2‐7设置简易把手，便于工作人员开启弧形水密舱盖2‐7。圆弧形上盖上分别设置有语音设备、灯光设备、摄像设备、告警设备、通讯导航设备以及避障设备；语音设备包括扬声器，灯光设备包括探照灯和红白绿三色航行灯，摄像设备包括摄像机，告警设备包括警报器，通讯导航设备包括GNSS天线、定位差分天线、数据传输天线、视屏传输天线；GNSS天线、定位差分天线与GNSS电台连接，数据传输电台、视屏传输天线分别与数据传输电台和视屏传输电台连接；避障设备包括超声波传感器。优选圆弧形上盖的弧长等于柔性太阳能薄膜电池组件6‐1长度。

翼型稳定立柱3为横剖面是NACA翼型的空心结构，两个翼型稳定立柱3上端与一侧的前倾片体1固定连接，下端与同一侧的鱼雷形潜体4固定连接，另外两个翼型稳定立柱3以相同的方式与另一侧的前倾片体1和鱼雷形潜体4固定连接，两个鱼雷形潜体4、四个翼型稳定立柱3、两个前倾片体1和组成水密箱式连接桥2构成倒U型的无人船船体主体。翼型稳定立柱3除了连接作用外，还起到增强无人船航向稳定性、增大横摇阻尼、增强垂荡运动方向稳定性等作用。

鱼雷形潜体4包括下推进器舱4‐1、垂荡水流通道4‐2、锂电池舱4‐3和应急锂电池舱4‐4。两个鱼雷形潜体4自后向前依次设置下推进器舱4‐1、垂荡水流通道4‐2、锂电池舱4‐3、垂荡水流通道4‐2和应急锂电池舱4‐4。垂荡水流通道4‐2的竖直投影的外轮廓为圆形，垂荡水流通道4‐2竖直贯穿鱼雷形潜体4壳体并止于鱼雷形潜体4外表面，一前一后设置在鱼雷形潜体4中轴线上；垂荡水流通道4‐2的围壁将鱼雷形潜体4内部空间隔离成若干舱室；锂电池舱4‐3内布置储能锂电池；应急锂电池舱4‐4内布置应急锂电池；左舷、右舷的两个鱼雷形潜体4完全相同。

如图6‐9所示，垂荡发电系统5包括发电机5‐1、连接轴5‐2、水轮5‐3、上水流导向叶片组5‐4、上水流加速锥体5‐5、下水流导向叶片组5‐6和下水流加速锥体5‐7。水轮5‐3的中部为实心圆柱体、实心圆柱体外壁周向焊接若干弧形叶片的盘状结构，弧形叶片端点连线在竖直面内的；上水流导向叶片组5‐4、下水流导向叶片组5‐6为若干周向布置的导向叶片结构；垂荡发电系统5共四套分别设置在两个鱼雷形潜体4的前后端，各垂荡发电系统的组成和内部连接关系等完全相同；发电机5‐1设置在垂荡发电舱1‐2内，发电机5‐1外壁与前倾片体1固定连接；连接轴5‐2下部与水轮5‐3固定连接，连接轴5‐2的底端嵌入设置在下水流加速锥体5‐7上的轴承内，连接轴5‐2另一端向上穿过上水流加速锥体5‐5、翼型稳定立柱3，进入到片体1内，与垂荡发电舱1‐2内的发电机5‐1的转子连接；上水流导向叶片组5‐4外缘与垂荡水流通道4‐2内壁固定连接，内缘与上水流加速椎体5‐5固定连接；上水流加速锥体5‐5为底面朝下的上小下大锥形空腔结构，并在底面中心处设置垂直于底面、贯穿上水流加速锥体5‐5的连接轴5‐2通过孔；类似地，下水流加速锥体5‐7为底面朝上的上大下小锥形空腔结构并在底面中心处设置轴向垂直于底面的轴承。上水流加速锥体5‐5与上水流导向叶片组5‐4内缘固定连接，再通过上水流导向叶片组5‐4与垂荡水流通道4‐2连接，下水流加速锥体5‐7也是如此。

太阳能发电系统6包括柔性太阳能薄膜电池组件6‐1和太阳能充电控制器。柔性太阳能薄膜电池组件6‐1覆盖在水密箱式连接桥2的圆弧形上盖，多个柔性太阳能薄膜电池组件6‐1串联连接，并与太阳能充电控制器连接。

推进系统7包括螺旋桨7‐1、螺旋桨传动轴7‐2、推进电机7‐3。四个螺旋桨7‐1分别设置在两个前倾片体1和两个鱼雷形潜体4后端并分别通过四个螺旋桨传动轴7‐2与四台推进电机7‐3连接。

如图1‐4所示，水质采样系统8包括泵管8‐1、泵头8‐2、卷管器8‐3、蠕动泵8‐4、采样箱8‐5和废水排放管8‐6；泵管5‐1为耐腐蚀硅胶软管，泵管8‐1穿越水密箱式连接桥2的箱体底板2‐6伸出船体外并与泵头8‐2连接；泵头8‐2内部装有水深传感器；蠕动泵8‐4设置在采样设备室2‐4，采样箱8‐5设置在采样箱室2‐3；泵头8‐2和蠕动泵8‐4之间以及蠕动泵8‐4和采样箱8‐5之间均通过泵管8‐1连接，废水排放管8‐6从蠕动泵废水排放口连接到船体外部空间；卷管器8‐3设有固定端和活动端，固定端与蠕动泵8‐4连接，活动端与泵头8‐2连接，卷管器8‐3用于控制泵管8‐1的收放使泵头8‐2到达不同的水深处。

优选的，前倾片体1、水密箱式连接桥2、翼型稳定立柱3、鱼雷形潜体4均由高强度5086铝合金制成，5086铝合金质量轻，强度，其强度满足无人船结构强度要求。

控制系统包括主控计算机、定位导航模块、通信模块、数据采集模块，本实用新型通过设置在岸上或母船上的控制站对无人船进行控制。主控计算机为基于PC104总线的PCM‐9375单板计算机。定位导航模块、通信模块、数据采集模块分别与主控计算机连接，主控计算机与控制站连接。

定位导航模块包括：GNSS天线、定位差分天线和GNSS信号接收机；GNSS天线与定位差分天线设置在水密箱式连接桥2后部并与GNSS信号接收机连接，GNSS信号接收机接入主控计算机。GNSS天线、定位差分天线设置在水密箱式连接桥2的后端，GNSS信号接收机设置在电器设备室2‐2内。

通信模块包括：数据传输天线、数据传输电台、视屏传输天线和视屏传输电台；数据传输天线与数据传输电台连接，数据传输电台与主控计算机连接；视屏传输天线与视屏传输电台连接，视屏传输电台与主控计算机连接。数据传输天线负责控制及探测信号远距离传输，数据传输天线设置在水密箱式连接桥2的后端，数据传输电台设置在电器设备室2‐2内；视屏传输天线负责视频图像视频数据远距离传输，视屏传输设置天线在水密箱式连接桥2的后端，视屏传输电台设置在电器设备室2‐2内。

数据采集模块包括：摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器和水深传感器；摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器分别设置水密箱式连接桥2上，水深传感器安装在泵头8‐2上；摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器、水深传感器分别与主控计算机连接；摄像机可360度环视捕获无人船周边环境的实时图像信息；三轴捷联磁阻式电子磁罗盘设置在用于测定无人船航向，智能陀螺仪用于测定船体横摇(Roll)、纵摇(Pitch)以及艏摇(Yaw)等姿态，三轴加速度传感器用于测定无人船空间加速度(立体空间，前后、左右、上下)的，水深传感器用于测量泵头8‐2当前深度。

本实用新型的具体工作方式如下：

(1)本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船顶部的柔性太阳能薄膜电池组件6‐1在阳光照射下产生电能；经太阳能充电控制器降压后，电能流向锂电池智能管理器，锂电池智能管理器分配电流给无人船推进系统7、水质采样系统8以及控制系统供电；

(2)本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船在波浪作用下，无人船发生响应幅值较大的垂荡运动，鱼雷形潜体4随船体一起进行上下往复运动，并在在四个翼型稳定立柱3的稳定作用下，无人船横摇减弱，垂向运动方向稳定性得到加强；图12为运用船舶耐波性分析程序Seakeeper基于切片理论的方法计算得到的设计吃水1.055m状态下本实用新型无人船在浪高1m(实际海况浪常高大于此)、波浪平均周期9s的ITTC双参数海浪谱下的垂荡运动响应幅值随时间变化曲线，横坐标t为时间(单位：s)，纵坐标H为垂荡运动响应幅值(单位：m)，如图12所示，在该海况下，本实用新型的无人船出现较大幅度的垂荡运动，而较大幅度的垂荡运动保证了垂荡发电系统能产生充足的电量。实际上，横摇以及纵摇也可以驱动垂荡发电系统发电，但本实用新型以垂荡运动为主。

当无人船向上运动时，海水相对鱼雷形潜体4向下运动并流入垂荡水流通道4‐2，上小下大的上水流加速锥体5‐5迫使垂荡水流通道4‐2过流面由上往下逐渐收窄，水流加快，进一步地，在上水流导向叶片组5‐4诱导下，海水顺时针(由上往下看)旋转流向水轮5‐3并驱动水轮5‐3顺时针(由上往下看)转动，进一步地，水轮5‐3顺时针(由上往下看)转动产生的扭矩通过连接轴5‐2传至发电机5‐1的转子，发电机5‐1的转子转动，发电机产生电能；海水穿过水轮5‐3后继续向下流动经过下水流导向叶片组5‐6和下水流加速锥体5‐7，上大下小的下水流加速锥体5‐7使垂荡水流通道4‐2过流面由上往下逐渐加宽，海水向下排泄加快。

类似地，当无人船向下运动时，海水相对鱼雷形潜体4向上运动并流入垂荡水流通道4‐2，上大下小的下水流加速锥体5‐7迫使垂荡水流通道4‐2过流面由下往上逐渐收窄，水流加快，进一步地，在下水流导向叶片组5‐6诱导下，海水顺时针(由上往下看)旋转流向水轮5‐3并驱动水轮5‐3顺时针(由上往下看)转动，进一步地，水轮5‐3顺时针(由上往下看)转动产生的扭矩通过连接轴5‐2传至发电机5‐1的转子，发电机5‐1的转子转动，发电机产生电能；海水穿过水轮5‐3后继续向上流动经过上水流导向叶片组5‐4和上水流加速锥体5‐5，上小下大的上水流加速锥体5‐5使垂荡水流通道4‐2过流面由下往上逐渐加宽，海水向上排泄加快。

综上，当无人船发生垂荡运动时，无论船体向上还是向下运动，水轮5‐3均顺时针旋转并带动发电机5‐1转动发电。

(3)控制站发出的航速指令被通讯导航设备捕获，通讯设备将航速指令反馈给控制系统的主控计算机，主控计算机向四台推进电机7‐3给定与航速相应的电压，四台推进电机7‐3同步转动并分别通过四个螺旋桨传动轴7‐2驱动四个螺旋桨7‐1转动，螺旋桨7‐1产生向前的推力使无人船向前运动，尔后无人船航速逐渐稳定在给定值附近并在四个翼型稳定立柱3的作用下，无人船保持航向，直线航行；当控制站发出转向指令时，控制系统分别向左舷的两台推进电机7‐3和右舷的两台推进电机7‐3给定大小或方向不同的电压，从而使两舷的螺旋桨7‐1产生大小或方向不同的推力，大小或方向不同的推力在船体上形成转矩，无人船绕船体竖直轴旋转，到达预定航向后，在四个翼型稳定立柱3的稳定作用下，无人船保持航向，直线航行。与此同时，控制系统将无人船的实时位置、航向、加速度等信息以及摄像设备捕获的图像画面传送至控制站。

(4)本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船到达预定采样点，控制站发出采样指令：在控制系统控制下，卷管器8‐3释放泵头8‐2，泵头8‐2在重力作用下拖动泵管8‐1迅速下沉；与此同时，泵头8‐2上的水深传感器捕获当前水深信息并实时反馈给控制站，操控人员在确认水深无误后，下达采样确认指令，蠕动泵8‐4启动，将海水样品抽取至采样箱8‐5，单个采样点采样过程完成；卷管器8‐3转动，泵头8‐2到达另一采样深度，蠕动泵8‐4启动，废水排放管8‐6排净泵管8‐1内残余海水，新采集的海水采集至采样箱8‐5，采样完成；反复地，完成所有采样点采样工作后，无人船返航；操控人员打开采样箱室2‐3弧形水密舱盖2‐7，取出采样箱8‐5，并放置新的采样箱8‐5，无人船继续出航执行新的采样任务。

(5)本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船具备一定的自主作业能力。类似地，在自主作业模式下，上述步骤(3)和(4)过程按预设程序指令自主完成。

(6)进一步地，在风、浪和流等外力扰动下，本实用新型的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船船体发生横摇，由于重心偏低，浮心偏高，重力在浮心之下，重力与浮力的耦合作用产生较大的复原力矩，与此同时，四个翼型稳定立柱3产生较大的横摇阻尼，在复原力矩和横摇阻尼的联合作用下，船体横倾角快速归零，无人船保持稳定正浮状态。图10为运用船舶稳性分析程序Hydromax计算得到的静水中设计吃水1.055m状态下本实用新型无人船的静稳性曲线，横坐标A为横倾角(单位：°)，纵坐标GZ为复原力臂(单位：m)。如图10所示：本实用新型初稳性高GMt(单位：m)不小于1.604m，即在设计吃水状态下，外力作用使本实用新型无人船产生小角度横倾时，其抵抗倾斜的力矩很大，即使产生小角度倾斜也会立刻回复到平衡状态；在设计吃水状态下，本实用新型无人船的极限静倾角大于51.4°，即在本实用新型无人船发生较大角度倾斜时，只要倾斜角度不大于51.4°，本实用新型均会自动回复至平衡状态；在设计吃水状态下，本实用新型无人船的稳性消失角不小于100°，即只要倾斜角度不大于100°，本实用新型无人船均会产生抵抗船体进一步倾斜的复原力矩。

(7)进一步地，在剧烈的风、浪和流等外力扰动下，本实用新型的无人船发生倾覆，由于本实用新型具备自扶正能力，船体自动恢复正浮状态。图11为运用船舶稳性分析程序Hydromax计算得到的静水中倾覆状态设计排水量下(横倾角180°)本实用新型无人船的静稳性曲线，横坐标A为横倾角(单位：°)，纵坐标GZ为复原力臂(单位：m)。如图11所示：倾覆状态下(横倾角180°)，本实用新型初稳性高GMt(单位：m)不大于0.27m，外力作用使本实用新型无人船产生小角度横倾时，其抵抗倾斜的力矩很小，较小的外力作用下便可让本实用新型发生小角度(小于10°～15°)横倾；本实用新型继续保持倾覆姿态的稳定性极差，极限静倾角不大于10°即倾覆状态下(横倾角180°)本实用新型无人船倾斜角变化量大于10°抵抗倾斜的力矩即消失，在重力和浮力的联合作用下无人船加速倾斜趋向正浮，因而倾覆状态下极小的外力干扰如微弱的风、浪或流即可使本实用新型自主翻身扶正，从而使本实用新型的自主扶正的能力。当无人船在远离海岸的地方作业发生倾覆时，自扶正能力使本实用新型无需人员过多干预即可自主翻身扶正，继续开展水质采样任务或返回海岸进行设备检修。

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 (9)

1.一种自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，包括前倾片体、水密箱式连接桥、翼型稳定立柱、鱼雷形潜体、垂荡发电系统、太阳能发电系统、推进系统以及控制系统；两个前倾片体通过水密箱式连接桥连接形成门式结构，两个鱼雷形潜体设置在两个前倾片体的下方，每个鱼雷形潜体通过至少两个分隔设置的翼型稳定立柱与前倾片体连接；

所述的前倾片体为前倾型船艏、设置多个隔间的圆舭型水密空腔细长体结构；

所述的水密箱式连接桥包括支撑结构、底板和圆弧形上盖；底板和圆弧形上盖之间形成空腔；支撑结构分别与底板和前倾片体连接；

所述的翼型稳定立柱为横剖面是NACA翼型的空心结构，两个翼型稳定立柱任一个的上端与一侧的前倾片体固定连接，下端与同一侧的鱼雷形潜体固定连接；

所述的鱼雷形潜体为两个；两个鱼雷形潜体自后向前依次设置下推进器舱、垂荡水流通道、锂电池舱、垂荡水流通道和应急锂电池舱；垂荡水流通道的竖直投影的外轮廓为圆形，垂荡水流通道竖直贯穿鱼雷形潜体壳体；

所述的垂荡发电系统包括发电机、连接轴、水轮、上水流导向叶片组、上水流加速锥体、下水流导向叶片组和下水流加速锥体；垂荡发电系统共四套，分别设置在两个鱼雷形潜体的前后端；发电机设置在垂荡发电舱内，发电机外壁与前倾片体固定连接；连接轴下部与水轮固定连接，上端与发电机的转子连接；上水流导向叶片组外缘与垂荡水流通道内壁固定连接，内缘与上水流加速椎体固定连接；上水流加速锥体为底面朝下的上小下大锥形空腔结构，并在底面中心处设置垂直于底面、贯穿上水流加速锥体的连接轴通过孔；下水流加速锥体为底面朝上的上大下小锥形空腔结构并在底面中心处设置轴向垂直于底面的轴承；

所述的太阳能发电系统包括柔性太阳能薄膜电池组件和太阳能充电控制器；柔性太阳能薄膜电池组件覆盖在水密箱式连接桥的圆弧形上盖，多个柔性太阳能薄膜电池组件串联连接，并与太阳能充电控制器连接；

所述的推进系统包括螺旋桨、螺旋桨传动轴、推进电机；四个螺旋桨分别设置在两个前倾片体和两个鱼雷形潜体后端并分别通过四个螺旋桨传动轴与四台推进电机连接；

所述的控制系统包括主控计算机、定位导航模块、通信模块、数据采集模块；定位导航模块、通信模块、数据采集模块分别与主控计算机连接，主控计算机与控制站连接，控制站设置在岸上或母船上。

2.根据权利要求1所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，所述的双体无人船还包括水质采样系统；所述的水质采样系统包括泵管、泵头、卷管器、蠕动泵、采样箱和废水排放管；泵管为耐腐蚀硅胶软管，泵管穿越水密箱式连接桥的箱体底板伸出船体外并与泵头连接；泵头内部装有水深传感器；泵头和蠕动泵之间以及蠕动泵和采样箱之间均通过泵管连接，废水排放管从蠕动泵废水排放口连接到船体外部空间；卷管器设有固定端和活动端，固定端与蠕动泵连接，活动端与泵头连接。

3.根据权利要求1所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，所述的前倾片体包括上推进器舱、垂荡发电舱和艏部隔离空舱；上推进器舱、两个垂荡发电舱、艏部隔离空舱自后向前依次设置。

4.根据权利要求1所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，所述的水密箱式连接桥安装在两个片体之间，两侧分别通过一对支撑结构与两个片体固定连接；电器设备室、采样箱室、采样设备室自后向前依次设置空腔中；电器设备室与采样箱室之间以及采样箱室与采样设备室之间设置拱形横梁，横梁下缘距水密箱式连接桥箱体底板高度不小于240mm。

5.根据权利要求1所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，所述主控计算机为基于PC104总线的PCM-9375单板计算机；定位导航模块包括GNSS天线、定位差分天线和GNSS信号接收机；GNSS天线与定位差分天线与GNSS信号接收机连接，GNSS信号接收机接入主控计算机；

所述通信模块包括数据传输天线、数据传输电台、视屏传输天线和视屏传输电台；数据传输天线与数据传输电台连接，数据传输电台与主控计算机连接；视屏传输天线与视屏传输电台连接，视屏传输电台与主控计算机连接；

所述数据采集模块包括摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器和水深传感器；摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器、水深传感器分别与主控计算机连接。

6.根据权利要求5所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，所述GNSS天线、定位差分天线设置在水密箱式连接桥的后端，GNSS信号接收机设置在电器设备室内；数据传输天线设置在水密箱式连接桥的后端，数据传输电台设置在电器设备室内；视屏传输设置天线在水密箱式连接桥的后端，视屏传输电台设置在电器设备室内；摄像机、超声波传感器、三轴捷联磁阻式电子磁罗盘、智能陀螺仪、三轴加速度传感器分别设置圆弧形上盖上，水深传感器安装在泵头上。

7.根据权利要求1所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，所述连接轴底端嵌入设置在下水流加速锥体的轴承内，连接轴上端向上穿过上水流加速锥体、翼型稳定立柱，进入片体内，与垂荡发电舱内的发电机的转子连接；水轮的中部为实心圆柱体、实心圆柱体外壁周向焊接若干弧形叶片的盘状结构，弧形叶片端点连线在竖直面内的；上水流导向叶片组、下水流导向叶片组为若干周向布置的导向叶片结构。

8.根据权利要求1所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，同一个鱼雷形潜体上的两个垂荡水流通道一前一后设置在鱼雷形潜体中轴线上；垂荡水流通道的围壁将鱼雷形潜体内部空间隔离成若干舱室；锂电池舱内布置储能锂电池；应急锂电池舱内布置应急锂电池。

9.根据权利要求1所述的自扶正长续航海水采样波浪能太阳能双体无人船，其特征在于，所述前倾片体、水密箱式连接桥、翼型稳定立柱、鱼雷形潜体均由高强度5086铝合金制成。