NO334692B1 - Fremgangsmåte for styring av et ubemannet havfartøy - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for styring av et ubemannet havfartøy, der fartøyet omfatter et skrog, et selvslående vingeseil for fremdrift, en kjøl for retningsstabilitet, og et ror.

Oppfinnelsen vedrører ubemannete, selvdrevne, vannbårne fartøy for marint bruk, videre referert til som ubemannede havfartøy (UOV). Særlig, men ikke eksklusivt, vedrører oppfinnelsen ubemannede havfartøy som benytter fornybare energikilder som muliggjør utvidete driftsperioder, så som i overvåkning av fjerntliggende havflater.

Militære, myndigheter og kommersiell bruk for UOV innen krigføring, utforskning, undersøkelser og overvåkningssammenhenger til sjøs er utallige. Muligheten for konvensjonelle plattformer, så som skip og bøyer, til innsamling av data og informasjon i disse sammenhenger er begrenset, særlig når sammenlignet med omfanget av jordens hav. Skip er kostbare å bygge, bemanne og drive. Bøyer, enten faste eller flytende, frembringer generelt kun avgrenset dekning. Selv om noen tilleggsdata nå kan samles på avstand av satellitter, er disse mer kostbare og deres sensorer kan frembringe svært begrensete havdata.

Sensorene og instrumentene tilgjengelige for å samle oseanografisk data og informasjon direkte er godt utviklet. Det er klart at moderne kommunikasjon og informasjonsteknologi kan benyttes til i fulle å utnytte det utvidede nettverk av instrumenter og sensorer, så som beskrevet i US-patentnummer 5.894.450 til Schmidt et al. Imidlertid er et ønskelig element en rimelig, mobil og selvopprett-holdende plattform som kan frembringe energi og tilkobling for havovervåkning, kommunikasjon, undersøkelser og andre applikasjoner som krever utholdenhet. Konvensjonelle ubemannede overflatefartøyer, så som beskrevet i US-patent nr. 5.713.293 til Shiffler et al. eller Spartan sitt "rekognoserings" fartøy foreslått av US Navy Undersea Warefare Centre i Newport, Rhode Island, USA, som typisk benytter konvensjonelle kraftenheter for forsilt brennstoff og som frembringer begrenset rekkevidde og utholdenhet. Konvensjonelle ubemannede overflatefartøy, i det minste når de drives i et semi-selvdrevet modus, er også utsatt for faren som oppstår ved kollisjon eller nærkontakt med store fartøy.

US 2007/0051292 A1 viser et ubemannet havfartøy med et fremdriftssystem bestående av et vingeformet seil som utnytter vindenergi for fremdrift, en kjøl for retningsstabilitet, og et ror for styring. Seilet har en plassering på fartøyet slik at vingeseilets aerodynamiske kraftsentrum er plassert foran det hydrodynamiske kraftsenteret til kjølen. Fartøyet har et elektronisk styringssystem omfattende GPS og kommunikasjonsmodul for å sende og motta data og kommandosignaler. FER, I. et al., "Near surface oceanographic measurements using the SailBuoy", CMR-12-A10266-RA-2, Rev. 00, 2012.12.14, viser et lignende fartøy.

XIAO, K. et al., "A wind-independent control strategy for autonomous sailboats based on Voronoi diagram", WSPC, 2011.07.15, vedrører en kontrollstrategi basert på Voronoi diagram for selvstyrte seilbåter. Det benyttes en oppslagstabell for å gjøre at båten seiler som planlagt. Det foreslås en tilnærming for å kontrollere selvstyrte seilbåter uten data fra vindsensorer (med kun data fra GPS og kompass). Hensikten er å frembringe en mer pålitelig metode, ettersom sensor for detektering av vindretning kan bryte ned når som helst.

Det er et formål med oppfinnelsen å frembringe en UOV for marint bruk som tar hensyn til ulempene med kjente ubemannete overflatefartøy foreslått for krigføring, utforskning, undersøkelser og overvåkningssammenhenger til sjøs, foretrukket f or utvidete perioder og/eller over lengre driftsområder.

Det er videre et formål å frembringe en fremgangsmåte for styring av et autonomt fartøy for overvåkning og registrering til havs, over enten en forhåndsbestemt kurs eller i et forhåndsbestemt område, slik som beskrevet senere.

I et bredt aspekt ligger oppfinnelsen i en UOV for drift på overflaten til et legeme av vann, hvor nevnte fartøy omfatter:

- et lukket skrog som har et lasterom,

- fremdriftssystem som har energiinnsamlingsmidler og energilagringsmidler innrettet for å benytte solenergi, vindenergi eller bølgeenergi.

- et antall sensorer for å registrere forhåndsbestemte miljøparametere og

- et kommunikasjonssystem for å overføre data fra nevnte sensorer om de valgte miljøparametere til, og for å motta kommandosignaler fra, én eller flere fjerntliggende stasjoner og/eller samvirkende UOVer.

Overnevnte formål oppnås med en fremgangsmåte for styring av et ubemannet havfartøy, der fartøyet omfatter et skrog, et selvslående vingeseil for fremdrift, en kjøl for retningsstabilitet, og et ror, der fremgangsmåten omfatter trinnene: - å sette ror og seil slik at fartøyet holder en stabil retning i forhold til vinden ved et gitt rorutslag, a) - sjekke fartøyet sin posisjon ved hjelp av et elektronisk styringssystem ombord, og dersom det registreres at fartøyet ikke er kommet noe nærmere et

bestemmelsessted,

b) - justere roret for å sette en ny vilkårlig kurs, der kursen velges blant et antall forhåndsbestemte kursendringer, c) - på nytt å sjekke fartøyet sin posisjon ved hjelp av det elektroniske styringssystemet, og dersom det registreres at fartøyet er kommet nærmere

bestemmelsesstedet,

d) - å la fartøyet fortsette på samme kurs, og

e) - å gjenta nevnte sjekk av fartøyets posisjon og trinnene a) til d) ved faste

intervaller.

Posisjonssjekk og eventuelt et eller flere av trinnene a) til d) kan gjentas ved faste intervaller på over 15 minutter.

Nevnte vilkårlige kurs kan være avgrenset til et par på forhånd bestemte kursendringer.

Bestemmelsesstedet kan være en valgt posisjon innen et avgrenset område det er ønskelig at fartøyet befinner seg i.

For å drive fartøyet ved bruk av vindenergi kan vingeseilet utformes med en bæreplansammenstilling.

Videre kan vingeseilet plasseres på fartøyet slik at vingeseilets aerodynamiske kraftsentrum er plassert foran det hydrodynamiske kraftsenteret til kjølen.

Vingeseilet kan også utformes slik at et løft generert av vinden gradvis øker opp til en angrepsvinkel på 15 grader.

Vingeseilet kan dessuten være selvslående med et fast utslag fra senterposisjon til hver side.

Roret kan utformes slik at moment generert fra roret på fartøyet øker proporsjonalt med rorutslaget.

Roret kan dessuten utformes slik at momentet generert fra roret på fartøyet øker proporsjonalt med hastigheten.

Plassering og utforming av ror, kjøl, seil og skrog kan gjøres slik at fartøyet holder en stabil retning i forhold til vinden ved et gitt rorutslag.

Fartøyet kan utstyres med et elektronisk styringssystem omfattende GPS, kommunikasjonsmodul, etc, for å sende/motta data og kommandosignaler, samt utstyr for regulering av ror og seil.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av de vedlagte figurer, hvori: Figur 1 viser en prinsippskisse av et ubemannet fartøy i følge oppfinnelsen, sett fra siden. Figur 2 viser en prinsippskisse av det ubemannede fartøyet sett fra oversiden.

Skissene av fartøyet viser kun et eksempel på en utførelse, og viser et ubemannet, selvdrevet og vannbåret fartøy 10 (UOV) for marint bruk innrettet for drift på overflaten til et legeme av vann. Nevnte fartøy omfatter fortrinnsvis et lukket skrog 12 som har et lasterom 14, et selvslående vingeseil 16 for fremdrift, en kjøl 18 for retningsstabilitet, et ror 20 for styring og et elektronisk styringssystem 22 som kan inneholde "autopilot", GPS, kommunikasjonsmodul, etc, for å sende/motta data og kommandosignaler. Kommunikasjonen kan foregå via satellittkommunikasjon eller annet egnet kommunikasjonsmiddel.

Fremdriften av fartøyet er i utgangspunktet kun basert på vind. Energioppsamlere som solcellepaneler kan monteres på fartøyet for å forlenge levetiden på elektroniske systemer ombord.

Ideen med foreliggende fartøy er muligheten for å styre eller seile fartøyet uten bruk av en konvensjonell autopilot. Ved å sette seil 16 og ror 20 ved faste, og gjerne forhåndsbestemte, posisjoner eller vinkler, vil fartøyet 10 holde en fast kurs i forhold til vindretningen, i motsetning til en konvensjonell autopilot eller selvstyring som konstant vil justere rorets vinkel for å holde fartøyet på rett kurs.

Den bestemte seilingsretningen i forhold til vinden basert på fast ror og seil oppnås

ved at dette kan innstilles basert på beregnet angrepspunkt 20a,16a,18a for kreftene på ror 20, seil 16 og kjøl 18, slik at fartøyet 10 seiler i den retningen som gir likevekt mellom kreftene. Videre er angrepspunktet på seilet foran angrepspunktet på kjølen, slik at det oppnås lestyring, der rorets faste vinkel kompenserer for denne lestyringen. De angitte angrepspunkt i figur 1 er kun ment som eksempler, og vil være avhengig av utforming til skrog, seil og ror.

Seilet 10 som benyttes er foretrukket et vingeseil som har en bæreplansammenstilling for å drive fartøyet ved bruk av vindenergi. Vingeseilet har en plassering slik at vingeseilets aerodynamiske kraftsentrum 16a (angrepspunktet) er plasser foran det hydrodynamiske kraftsenteret 18a (angrepspunktet) til kjølen. Videre kan vingeseilet ha en form slik at et løft generert av vinden er gradvis økende opp til, eller for den saks skyld over, en angrepsvinkel på 15 grader.

Som figur 2 viser kan vingeseilet 16 være selvslående med et fast utslag fra senterposisjon til hver side 16', 16". Dette er normalt oppnådd med at seilet kan rotere fritt rundt masten og at et skjøte begrenser utslaget til hver side. Videre kan roret 20 ha en form slik at moment generert fra roret på fartøyet øker proporsjonalt med rorutslaget, alternativt eller i tillegg kan roret 20 har en form slik at momentet generert fra roret på fartøyet øker proporsjonalt med hastigheten.

Ved korrekt plassering og utforming av ror, kjøl, seil og skrog vil altså fartøyet holde en stabil retning i forhold til vinden ved et gitt rorutslag.

Under seiling vil roret, siden det er satt med en bestemt vinkel, forsøke å dreie fartøyet opp mot vinden. Siden angrepspunktet for kreftene på seilet ligger foran angrepspunktet for kreftene på kjølen vil kraften som virker på seilet forsøke å dreie fartøyet vekk fra vinden. Fartøyet 10 vil derfor seile i den retningen hvor disse to kreftene er i likevekt. Kraften fra roret er avhengig av fartøyets hastighet, mens kraften fra seilet er avhengig av angrepsvinkelen til vinden. Når angrepsvinkelen på seilet er stor vil fartøyet øke farten og som forårsaker at dreiekraften fra roret vil øke. Roret vil således tvinge fartøyet opp mot vinden, og forårsake at angrepsvinkelen på seilet avtar. Hvorpå seilet mister kraft og fartøyet sakker av, noe som reduserer dreiekraften fra roret. Vindmotstanden på skroget og seilet vil tvinge fartøyet til å avbøye fra vinden, og som øker seilets angrepsvinkel og fartøyets hastighet. Dette vil deretter øke kraften fra roret og tvinge fartøyet opp mot vinden.

Fartøyet 10 vil således kunne seile i en bestemt retning slik som forklart ovenfor, mot et forhåndsbestemt bestemmelsessted. Under seilasen vil fartøyet kunne sjekke sin egen posisjon ved hjelp av det elektroniske styringssystemet 22 ombord, og dersom det registreres at fartøyet ikke er kommet noe nærmere bestemmelsesstedet i forhold til tidligere posisjonssjekker vil roret, eller for den saks skyld seilet, kunne reguleres for å sette en ny kurs, der kursen for så vidt er vilkårlig men gjerne avgrenset til noen på forhånd bestemte kursendringer. De på forhånd bestemte kursendringer kan eksempelvis være et par kursendringer, eller tre eller fire forhåndsvalgte kursendringer. Det er ikke hensikten at det skal være et utall fortløpende kursendringer slik som i kjent teknikk. Ved neste posisjonssjekk gjentas prosedyren, og dersom fartøyet nå er kommet nærmere bestemmelsesstedet kan det fortsette på samme kurs, i motsatt fall endres kursen slik som omtalt. På denne måten endres ikke kursen så ofte, eksempelvis kan det gjerne gå 15 minutter, 30 minutter, 60 minutter eller mer mellom hver posisjonssjekk.

Resultatet er for så vidt at fartøyet på denne måten vil seile "på kryss og tvers" før det når bestemmelsesstedet, og på den måten bruke lengre tid på seilasen. Imidlertid er tiden ikke alltid en viktig faktor. Ved for eksempel prøvetaking til havs for innsamling av oseanografisk data er det vesentlige at fartøyet dekker et bestemt område eller holder en forhåndsbestemt kurs mot bestemmelsesstedet, eller for den saks skyld returstedet. I andre tilfeller der det er ønskelig at fartøyet befinner seg eller holder seg innen et bestemt avgrenset område, så som for eksempel overvåkning av miljøfaktorer som oljelekkasjer i forbindelse med offshore aktiviteter, har tiden ingen betydning. Ved et slikt autonomt fartøyet som beskrevet vil det også kunne oppholde seg i operasjon i svært lang tid og med svært lite energiforbruk, gjerne over flere måneder eller år. Det lille energiforbruket som måtte være kan enkelt dekkes inn av solcellepaneler eller lignende.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for styring av et ubemannet havfartøy (10), der fartøyet omfatter et skrog (12), et selvslående vingeseil (16) for fremdrift, en kjøl (18) for retningsstabilitet, og et ror (20),karakterisert vedtrinnene: - å sette ror (20) og seil (16) slik at fartøyet (10) holder en stabil retning i forhold til vinden ved et gitt rorutslag, a) - sjekke fartøyet (10) sin posisjon ved hjelp av et elektronisk styringssystem (22) ombord, og dersom det registreres at fartøyet (10) ikke er kommet noe nærmere et bestemmelsessted, b) - justere roret (20) for å sette en ny vilkårlig kurs, der kursen velges blant et antall forhåndsbestemte kursendringer, c) - på nytt å sjekke fartøyet (10) sin posisjon ved hjelp av det elektroniske styringssystemet (22), og dersom det registreres at fartøyet (10) er kommet nærmere bestemmelsesstedet, d) - å la fartøyet (10) fortsette på samme kurs, og e) - å gjenta nevnte sjekk av fartøyets (10) posisjon og trinnene a) til d) ved faste intervaller.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat posisjonssjekk og eventuelt et eller flere av trinnene a) til d) gjentas ved faste intervaller på over 15 minutter.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat nevnte vilkårlige kurs er avgrenset til et par på forhånd bestemte kursendringer.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat bestemmelsesstedet er en valgt posisjon innen et avgrenset område det er ønskelig at fartøyet (10) befinner seg i.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat for å drive fartøyet (10) ved bruk av vindenergi utformes vingeseilet (16) med en bæreplansammenstilling.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat vingeseilet (16) plasseres på fartøyet (10) slik at vingeseilets aerodynamiske kraftsentrum (16a) er plassert f oran det hydrodynamiske kraftsenteret (18a) til kjølen (18).

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisertved at vingeseilet (16) utformes slik at et løft generert av vinden gradvis øker opp til en angrepsvinkel på 15 grader.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat vingeseilet (16) er selvslående med et fast utslag (16', 16") fra senterposisjon til hver side.

9. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat roret (20) utformes slik at moment generert fra roret (20) på fartøyet (10) øker proporsjonalt med rorutslaget.

10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat roret (20) utformes slik at momentet generert fra roret (20) på fartøyet (10) øker proporsjonalt med hastigheten.

11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat plassering og utforming av ror (20), kjøl (18), seil (16) og skrog (12) gjøres slik at fartøyet (10) holder en stabil retning i forhold til vinden ved et gitt rorutslag.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat fartøyet (10) utstyres med et elektronisk styringssystem (22) omfattende GPS, kommunikasjonsmodul, etc, for å sende/motta data og kommandosignaler, samt utstyr for regulering av ror (20) og seil (16).