TWI745996B - 用於操作水運船舶的系統、裝置及方法 - Google Patents

Abstract

用於操作水運船舶的系統、裝置及方法。該系統可以包括配置成接收 第一船舶的位置訊號和速度訊號的通訊單元。該系統可以包括第一感測單元、第二感測單元和第三感測單元，其中，第一感測單元配置成確定包括第一船舶的一個或多個附近船舶的相對位置訊號，第二感測單元配置成檢測和測量圍繞水運船舶的渦流的流體速度場，第三感測單元配置成檢測和測量水運船舶在渦流的升流區域中操作所經受的提升力的效率增益。並且該系統可以包括配置成將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置的控制單元。

Description

用於操作水運船舶的系統、裝置及方法

本發明是有關於一種用於操作水運船舶的系統、裝置及方法。

水翼船舶是在水面下具有通常稱為水翼或水翼的升力產生翼的船舶。當船舶移動時，水翼因流動越過水翼表面的水的運動而產生水動升力。所產生的升力的量與水翼的平面面積、水翼的輪廓、水翼的攻角以及水翼上的平均流體速度的平方成比例。

諸如水翼船舶的升力產生船舶在其操作範圍內受到其翼能夠產生升力的效率的限制。翼效率通常由翼產生的阻力的量與翼產生的升力的量之比(通常稱為升阻比)來確定。高的升阻比對於許多船舶操作以及對於向環境中輸出較少的溫室氣體都是非常有益的。

因此，期望改進船舶中的升阻比，這將有效地提高燃料效率，特別是對於船隊而言尤為如此。

本發明涉及用於操作水運船舶的系統、裝置及方法，操作水運船舶包括操作水運船舶的船隊。在一個方面，該系統可以包括通訊單元，該通訊 單元配置成接收第一船舶的位置訊號和速度訊號。在一個方面，該系統可以包括第一感測單元、第二感測單元和第三感測單元，其中，第一感測單元配置成確定包括第一船舶的一個或多個附近船舶的相對位置訊號，第二感測單元配置成檢測和測量圍繞水運船舶的渦流的流體速度場，第三感測單元配置成檢測和測量來自水運船舶在渦流的升流區域中操作所經受的提升力的效率增益。此外，在一個方面，該系統可以包括配置成將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置的控制單元。

在本發明之一實施例中，上述之水運船舶可以是水翼船舶，水翼船舶包括一個或多個水翼組件，該一個或多個水翼組件以可操作的方式連接至水運船舶的船體並且構造成在水運船舶的操作期間產生升力。在一個方面，一個或多個水翼組件中的每個水翼組件均處於相對于水運船舶的船體的固定位置。在一個方面，一個或多個水翼組件中的每個水翼組件均能夠豎向地調節以改變一個或多個水翼組件與船體之間的距離。在一個方面，渦流可以由第一船舶的第一水翼組件產生。

在本發明之一實施例中，上述之第一感測單元還可以包括具有全球定位系統(GPS)、光檢測和測距(LiDar)傳感器、雷達、無源光學器件或其組合的一個或多個傳感器。在一個方面，第二感測單元還可以包括具有聲納傳感器、超聲傳感器、聲學都卜勒流速剖面儀(英語：Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)或其組合的一個或多個傳感器。在一個方面，第三感測單元還可以包括具有一個或多個慣性傳感器、陀螺儀、加速度計、慣性測量單元(IMU)、應變儀、測力傳感器或其組合的一個或多個傳感器。在一個方 面，第三感測單元的一個或多個傳感器可以以可操作的方式連接或附接至水運船舶的水翼組件。

在本發明之一實施例中，上述之最佳位置可以由控制單元至少部分地基於第一船舶的位置訊號和速度訊號、第一感測單元的相對位置訊號、第二感測單元測量的流體速度場、第三感測單元測量的提升力、或其組合來確定。在一個方面，最佳位置還可以通過確定圍繞水運船舶的渦流的峰值升流區域來確定。

在本發明之一實施例中，上述之系統可以包括第二控制單元，該第二控制單元配置成自動接收相對位置訊號、流體速度場、測量的渦流的升流區域的位置、水運船舶經受的提升力、或其組合，並且將水運船舶操縱至最佳位置。

在本發明之一實施例中，上述之系統可以包括控制介面，該控制介面用於接收來自用戶、遠程設備或其組合的輸入，並且用於向用戶、遠程設備或其組合傳輸包括相對位置訊號、流體速度場、效率增益或其組合的感測訊號。

在本發明之一實施例中，上述之控制單元可以包括配置成檢測水的自由表面相對於水運船舶的水翼的位置並且在確定最佳位置時結合水的自由表面的位置的計算單元。在一個方面，控制單元可以包括配置成檢測海浪並且在確定最佳位置時結合由海浪引起的渦流變形的計算單元。

在本發明之一實施例中，上述之控制單元可以配置成保持水運船舶與第一船舶的相對位置。在一個方面，將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置可以減小水運船舶經受的阻力。

一種用於操作水運船舶的系統，該系統包括通訊單元、一個或多個感測單元和控制單元，其中，通訊單元配置成接收第一船舶的位置訊號和第一船舶的速度訊號，該一個或多個感測單元配置成識別最佳位置，控制單元配置成將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置。

在本發明之一實施例中，上述之將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置減小了水運船舶經受的阻力。在一個方面，一個或多個感測單元包括第一感測單元，第一感測單元配置成確定包括第一船舶的一個或多個附近船舶的相對位置訊號。在一個方面，一個或多個感測單元包括第二感測單元，第二感測單元配置成檢測和測量圍繞水運船舶的渦流的流體速度場。在一個方面，一個或多個感測單元包括第三感測單元，第三感測單元配置成檢測和測量來自水運船舶在渦流的升流區域中操作所經受的提升力的效率增益。

在本發明之一實施例中，上述之最佳位置由控制單元至少部分地基於第一船舶的位置訊號和速度訊號、第一感測單元的相對位置訊號、第二感測單元測量的流體速度場、第三感測單元測量的提升力、或其組合來確定。此外，在一個方面，最佳位置還通過確定圍繞水運船舶的渦流的峰值升流區域來確定。

在本發明之一實施例中，上述之一種用於操作尾隨船隻的系統，該系統包括控制單元、第一感測單元、第二感測單元、第三感測單元以及控制介面，其中，控制單元用於將尾隨船隻從第一位置操縱至第二位置，第一感測單元配置成確定包括領先船隻或一個或多個不同的尾隨船隻的一個或多個附近船隻的相對位置，第二感測單元配置成檢測和測量由領先船隻產生的渦流的流體速度場，第三感測單元配置成檢測和測量尾隨船隻在由領先船隻產生的 渦流的升流區域中操作的效率增益，控制介面用於接收輸入並且向用戶或遠程設備發送與最佳位置相關聯的引導訊號。在一個方面，該系統可以包括自動駕駛儀單元，自動駕駛儀單元配置成自動接收位置感測訊號、渦流訊號、升流訊號、升力感測訊號或其組合，並且將尾隨船隻操縱至最佳位置。

在本發明之一實施例中，上述之一種用於操作水運船舶的方法，該方法包括：確定領先船舶的位置訊號和速度訊號；由一個或多個傳感器檢測附近船舶的相對位置，其中，附近船舶包括領先船舶或者與水運船舶不同的尾隨船舶；從一個或多個傳感器接收由領先船舶產生的渦流的流體速度場的測量值；由一個或多個傳感器對水運船舶在渦流的區域中操作所經受的提升力進行檢測；以及將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置。

在本發明之一實施例中，上述之方法可以包括：在水運船舶的控制單元處基於相對位置、流體速度場的大小、提升力、或其組合實時地自動確定最佳位置；以及將水運船舶自動操縱至最佳位置。此外，在一個方面，該方法可以包括確定由領先船舶產生的渦流的峰值升流區域；以及將水運船舶實時操縱至最佳位置。

其他示例涉及與本文所描述的方法相關聯的系統、裝置和計算機可讀介質。

100:渦流

200:系統環境

201:船舶控制系統

203:控制單元(第二控制單元)

205:通訊單元

207:自動駕駛儀

209:控制介面

210a:領先船舶的通訊訊號

210n:尾隨船舶的通訊訊號

221:位置感測單元(第一感測單元)

223:流體感測單元(第二感測單元)

225:升力感測單元(第三感測單元)

231:導航模組

233:升流檢測模組

235:水面檢測模組

237:水翼定位模組

239:波檢測模組

300:飛行編隊

310:船舶(水運船舶)

310a:第一船舶

312:船體

314:貨物

316:水翼(水翼組件)

317:領先水翼

318:水翼支承件

319:尾隨水翼

320:控制翼

322:水面

330:領先輪船(領先船舶)

332:尾隨輪船(尾隨船舶)

334:方向

340:渦流

342,344:區域

346:升起的水翼

350,570:第一位置

352:最佳位置

354:第一矢量

374:第一矢量

500:水浪

522:水面

540:渦流

562,564:水顆粒運動

572:第二位置

60,70,80:流程圖

600~604:步驟流程

700~705:步驟流程

800~805:步驟流程

圖1A至圖1B分別示出了表示3D環境中和2D環境中的渦流平面的平面。

圖2A示出了根據本主題技術的各個方面的船舶控制系統的系統圖。

圖2B示出了根據本主題技術的各個方面的圖2A的船舶控制系統的系統圖的示例性部件。

圖3A示出了根據本主題技術的各個方面的在編隊中操作的兩個水運船舶的立體圖。

圖3B示出了根據本主題技術的各個方面的在圖3A的編隊中操作的兩個水運船舶的後視圖。

圖4A示出了根據本主題技術的各個方面的在編隊中操作的兩個水運船舶的側視圖。

圖4B示出了根據本主題技術的各個方面的在圖4A的編隊中操作的兩個水運船舶的俯視圖。

圖4C示出了根據本主題技術的各個方面的在圖4B的編隊中操作的兩個水運船舶中的水運船舶的期望位置。

圖5示出了包括表面相互作用和波軌道運動的渦流的側視圖。

圖6示出了根據本主題技術的各個方面的操作水運船舶的示例流程圖。

圖7示出了根據本主題技術的各個方面的操作水運船舶的另一示例流程圖。

圖8示出了根據本主題技術的各個方面的操作水運船舶的另一示例流程圖。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

為了解釋清楚起見，已經參照具體示例描述了本公開，然而應當理解的是，本公開不限於所描述的示例。相反，本公開涵蓋了如可以包括在由任何專利權利要求所限定的範圍內的替代、修改和等同物。本公開的以下示例在不喪失任何一般性且不對所要求保護的公開施加限制的情況下闡述。在以下描述中，闡述了具體細節以便提供對本公開的透徹理解。本公開可以在沒有這些具體細節的一些或全部的情況下實施。另外，可能沒有詳細描述公知的特徵，以避免不必要地模糊本公開。

另外，應當理解的是，在該示例性專利中闡述的示例性方法的步驟可以以與本說明書中呈現的順序不同的順序來執行。此外，示例性方法的一些步驟可以並行執行而不是順序執行。

下面對一種用於操作一個或多個船舶或水運船舶的系統，特別是用於水翼式水運船舶的系統進行描述。水翼式水運船舶是一種包括一個或多個水翼組件的船舶，使得在跨越水體的操作下該船舶可以在寬範圍的水浮速度下操作同時實現最佳升阻比以獲得更好的操作效率。

在一個示例中，船舶或輪船可以配備有水翼組件，該水翼組件在以一定速度操作時可以對船舶產生升力並使船舶水浮。一旦船舶被水浮，施加在船舶上的阻力和拖曳力的量就大大減少，並且船舶可以更有效地橫過水行進。

在一個示例中，水翼組件還可以是可伸展的和可縮回的，使得升力可以根據速度而變化。在這種情況下，水翼組件可以配置成使升力最大化 以實現低起飛速度。水翼組件還可以配置成產生所需的精確量的升力，以使移動速度或巡航速度最大化。此外，水翼組件還可以配置成優化船舶的穩定性、平衡性和縱傾性。

附加地，當對產生升力的水運船舶比如水翼式水運船舶進行操作時，對緊密編隊的船隊進行操作的淨效率可以高於單獨飛行的任何單個運載工具的淨效率。船隊位置和相對運載工具位置可以使用多個測量值、裝置、傳感器和儀器來確定，並且通過船舶間通訊來共享。

以下描述詳述了示例系統、裝置及方法，該示例系統、裝置及方法用於對編隊中的兩個或多個水翼船只進行操作，使得尾隨船隻將其一個水翼或多個水翼定位至由前向船隻產生的渦流的升流區域，從而導致對尾隨船隻的增加的升力以及減小的阻力。示例系統和方法也可以應用於水翼船只的整個船隊。相對定位可以在船隊的整個行程中自動更新，以將編隊飛行的益處分配給每個船舶。

圖1A至圖1B示出了表示渦流100的座標平面，該渦流的中心在座標平面的中心處。圖1A和圖1B可以用於確定和描述由水運船舶在操作中產生的渦流中心的位置。定義為

、φ 0的位置可以是圖1A至圖1B中示出的垂直渦流平面中的渦流的初始位置和相位。

圖2A示出了用於操作一個或多個水運船舶以進行船舶編隊的船舶控制系統的示例系統架構。如圖2A所示，系統架構或系統環境200包括船舶控制系統201，該船舶控制系統201可以是嵌入在單個水運船舶中的控制系統，並且配置成監測機動船舶。船舶控制系統201可以包括控制單元203、通訊單元205、自動駕駛儀單元或自動駕駛儀207、以及控制介面209。控制單元203、通 訊單元205、自動駕駛儀207和控制介面209中的每一者以可操作的方式彼此連接。控制單元203配置成接收來自船舶控制系統201的其他部件--以可操作的方式附接或嵌入在水運船舶中--的輸入、請求、測量值、傳感器數據和訊號、以及其他訊號，或者接收來自外部物理環境比如流體、或者其他船舶或對象的其他訊號。此外，控制單元203配置成發送訊號或指令，以操縱水運船舶從一個位置至另一位置、或者從一個速度至另一速度、或者從水翼的一個取向至另一取向等。這可以通過將船舶控制系統201連接至水運船舶的配置成物理地操縱船舶的機械部件或電氣部件來完成，該機械部件或電氣部件比如為發動機、螺旋槳、馬達、電池、水翼、舵、襟翼、副翼或水翼控制裝置、或其他控制表面、或產生推力或推進力的部件。

在該示例中，通訊單元205配置成從其他船舶、輪船、船隻、飛行器、或其他可以發送和接收通訊訊號的對象來接收通訊數據或訊號。通訊單元205可以是船舶間通訊系統的一部分，用於使整個船隊的船舶在船舶中的每個船舶之間發送和接收訊號。通訊訊號通常可以與移動和定位數據相關。例如，船舶控制系統201可以是尾隨水運船舶的一部分，該尾隨水運船舶尋求通過對由前向輪船或領先輪船產生的渦流的特定區域進行操縱來優化其水翼所經受的升力。在該示例中，領先輪船可以向船舶控制系統201的通訊單元205發送通訊訊號210a。通訊訊號可以包括第一輪船或第一船舶的位置訊號和速度訊號，並且通訊訊號利用船舶控制系統201被提供給尾隨水運船舶。領先船舶的位置訊號和速度訊號可以由船舶控制系統201在控制單元203或自動駕駛儀207處使用，或者通過控制介面發送至用戶手動控制的船舶控制系統201，以確定尾隨水運船舶在領先船舶的水翼產生的渦流的升流區域中操作的最佳估計位置。

在該示例中，船舶控制系統201還可以連接至多個傳感器或者從該多個傳感器接收感測訊號和數據，該多個傳感器位於水運船舶的各個部件中或者以可操作的方式附接至水運船舶的各個部件。例如，船舶控制系統201可以以可操作的方式連接至位置感測單元221。位置感測單元221可以配置成確定附近對象的相對位置。儘管關於附近船舶的相對位置的訊號可以通過領先船舶的通訊訊號210a或不同尾隨船舶的通訊訊號210n從附近船舶自身獲得，但是來自位置感測單元221的感測訊號可以由船舶控制系統201用於更準確地確定附近船舶比如領先船舶或不同的尾隨船舶的位置和速度。在該示例中，位置感測單元221可以包括一個或多個傳感器，該一個或多個傳感器包括全球定位系統(GPS)、光檢測和測距(LiDar)傳感器、雷達、無源光學器件、或其組合，該一個或多個傳感器中的每個傳感器均位於遍及水運船舶的各個物理位置處。在該示例中，船舶控制系統201還可以以可操作的方式連接至流體感測單元223。流體感測單元223可以配置成利用船舶控制系統201準確地感測由船舶前方的船舶產生的渦流的升流區域的位置。在該示例中，流體感測單元223可以包括一個或多個傳感器，該一個或多個傳感器包括聲納傳感器、超聲傳感器、聲學多普勒電流剖面儀、或其組合，該一個或多個傳感器中的每個傳感器可以嵌入或以可操作的方式附接至船舶的各種物理部件。在該示例中，傳感器中的每個傳感器均可以用於對與計算、估計或確定流體速度相關的不同測量值進行測量，並且有效地測量升流區域中的渦流形狀和大小，使得控制單元203可以將水運船舶操縱至具有最高向上豎向流體速度的渦流的升流區域的部分，這有效地使水翼經受的升力最大化。在一個示例中，流體感測單元223的一個或多個傳感器可以不斷地掃描流體速度和升流區域測量值。

船舶控制系統201還可以以可操作的方式連接至升力感測單元225。升力感測單元225可以配置成準確地感測和測量由水運船舶自身經受的提升力。與流體感測單元223不同，該流體感測單元223對水運船舶周圍的流體速度場、特別是例如由在水運船舶前方操作的領先水運船舶所產生的渦流的流體速度場進行感測，升力感測單元對水運船舶所經受的力、升力、應變、加速度或其他運動感測測量值進行測量。在該示例中，升力感測單元225可以包括一個或多個傳感器，該一個或多個傳感器包括一個或多個慣性傳感器、陀螺儀、加速度計、慣性測量單元(IMU)、應變儀、測力傳感器、或其組合。在一個示例中，升力感測單元225的一個或多個傳感器中的每個傳感器可以以可操作的方式連接至水運船舶的水翼組件。來自升力感測單元225的測量值可以用於結合從流體感測單元223獲得的測量值和感測訊號來更準確地確定水運船舶的位置是否是在該水運船舶由另一船舶產生的渦流內操作時的最佳位置。替代性地，來自升力感測單元225的測量值和感測訊號以及數據可以用於確定水運船舶的位置，即，從第一位置至第二位置的效率增益，該第二位置被估計為具有由各種感測單元檢測到的升流區域。在該示例中，由於渦流強度與升力成比例，因此將水運船舶操縱至具有較高或最高豎向流體速度的升流區域的一部分將有效地導致水運船舶的水翼經受較高升力或峰值升力。

在一個示例中，船舶控制系統201包括控制介面209，該控制介面209配置成通過呈現從一個或多個傳感器接收的訊號或者呈現來自其他船舶和船隻的通訊訊號來向用戶比方說諸如飛行員或舵手之類的用戶提供指導。所顯示的訊號可以是位置相關訊號、效率訊號、流體速度或流體感測訊號中的每一者。所顯示的訊號還可以與用戶將水運船舶從初始位置操縱至期望或最佳位置 的建議相關，使得船舶在由領先船舶產生的渦流的升流區域或峰值渦流區域中操作。控制介面209配置成向用戶提供實時訊號，使得當針對領先船舶的環境條件改變時或者針對領先船舶的相對運動、速度、位置或其組合改變時，如果最佳位置完全改變，則控制介面209可以不斷地為用戶更新有關跟在領先船舶後面的下一個最佳位置在哪裡的訊號。這允許飛行員通過建議由改變整個水運船舶的速度配置的位置、速度、航向、取向、高度或者通過調節相對于水運船舶的船體的水翼取向和高度、路線、或其組合來使來自領先船舶的升流的益處最大化，以優化來自渦流的效率增益。附加地，控制介面209還可以在顯示所建議的位置的頂部上建議所建議的飛行路徑以達到位置、速度、航向、高度或其組合。

在一個示例中，自動駕駛儀207配置成自動確定用於經受峰值升流的最佳位置以及確定達到最佳位置、速度、航向、高度或其組合的最佳飛行路徑。自動駕駛儀207還可以自動地向控制單元203發訊號，以將水運船舶操縱或定向至改變的條件。自動駕駛儀可以接收與相對位置訊號、流體速度場、測量的渦流的升流區域的位置、船隻經受的提升力、或其組合相關的訊號和訊號，並且將水運船舶操縱至最佳位置。

例如，如果領先船舶提高了速度，則自動駕駛儀207還可以自動增加水運船舶的速度，以保持與領先船舶的速度相同的速度，從而使領先船舶產生的渦流的益處最大化。在另一示例中，如果船舶控制系統201確定水翼在水面下太低而不能經受最大的升流區域，則自動駕駛儀207可以通過控制單元203自動地增加船隻的速度以產生更多的升力並且將水翼的位置連同船隻的包括其船體的其餘部分一起從水面升高。

如圖2B所示，控制單元203還可以包括允許船舶控制系統201確定用於水運船舶的最佳位置的部件和模組，以使其經受來自由領先船隻產生的渦流的最大升力。在一個示例中，控制單元203可以包括導航模組231，該導航模組231用於發送和接收用於將船舶從初始位置或航向操縱至第二位置或航向的指令。控制單元203還可以包括升流檢測模組233，該升流檢測模組233配置成檢測來自由領先船舶產生的渦流的峰值升流。控制單元203還可以包括水面檢測模組235，該水面檢測模組235配置成檢測水面的位置。在水面處，將不再存在可以引起水翼的更多升力的任何升流區域。水面檢測模組235可以用於與上述不同的測量值相結合，以確定水運船舶的最佳位置。

在一個示例中，控制單元203還可以包括水翼定位模組237，該水翼定位模組237配置成調節水運船舶相對於水面的取向和豎向位置。水運船舶可以包括船體、一個或多個固定的或可伸縮的水翼支承件、以及一個或多個水翼，該一個或多個水翼通過水翼支承件以可操作的方式連接至水運船舶的船體。當水翼在操作中置換水時，可以基於船隻的速度來改變和控制船隻的船體與水面之間的距離。船體與水翼之間的距離可以根據水翼支承件的伸展或縮回來改變。例如，一個或多個水翼組件中的每個水翼組件可以是豎向可調節的，以改變一個或多個水翼組件與船體之間的距離。附加地，水翼定位模組237還可以被領先船舶配置成對最佳高度進行預測，以在該最佳高度下進行操作進而產生對後向船舶最有益的渦流和升流。

在一個示例中，控制單元203還可以包括波檢測模組239。下面進一步詳細論述的是，波檢測模組239包括計算單元，該計算單元配置成存在海浪例如長波長海浪並且在確定最佳位置時結合由海浪引起的渦流變形。這可以例 如通過將確定水顆粒的軌道速度結合到計算峰值升流區域的位置中來完成。在另一示例中，由於存在使渦流變形的波，因此水翼可以以不同的俯仰豎向地調節或定向，比如從初始俯仰向上俯仰或向下俯仰。

在一個示例中，船舶控制系統201可以通過接收感測訊號和數據並計算在水運船舶周圍檢測到的渦流的峰值升流區域來確定水運船舶的最佳位置。在該示例中，可以由控制單元203至少部分地基於第一船舶的位置訊號和速度訊號、第一感測單元的相對位置訊號、第二感測單元測量的流體速度場、第三感測單元測量的提升力、或其組合來確定最佳位置。

此外，船舶控制系統201可以是由集中控制系統控制的船舶控制系統的網絡的一部分。控制介面209可以從用戶、遠程設備或其組合接收輸入，並且將包括相對位置訊號、流體速度、效率增益或其組合的感測訊號傳輸至用戶、遠程設備比如具有集中控制系統的設備、或其組合。

於本實施例中，船舶控制系統201可以通過用於計算渦流的測量值和特徵的多種算法來確定水運船舶的最佳位置、取向或航向。在一個示例中，在邊界渦流模型和亥姆霍茲定理下，可以計算出渦流的強度。渦流的循環等效於翼的循環。

於本實施例中，然後使用Kutta-Jukowski定理根據升力和流動特性來確定翼的循環，其由下式定義：

Γ=L/ρV

其中，Γ是渦流的循環，L是升力，ρ是密度，並且V是速度。

高雷諾數流中的尾隨渦流迅速變得不旋轉。這樣，前翼下游的Trefftz平面中的速度場可以使用Biot-Savart定律來確定，其由下式定義：

其中，q是渦度，r是Trefftz平面中點的2D位置矢量，R是+90度旋轉矩陣。高雷諾數流的附加益處是流式分離的影響很小。無粘性流中的渦流強度在時間上是恒定的；類似地，在高雷諾數流中，慣性力遠大於粘性力，渦流強度會持續很長時間。因此，在有限翼展翼的外側存在升流區域。安置在該升流區域中的翼受益於由於誘導的攻角而導致的阻力減小和升力增加。

在前翼的升流區域中使尾隨運載工具飛行的總體效果是升阻比的增加。燃料效率和續航里程是影響飛行器經濟可行性和環境可持續性的主要因素。根據Breguet範圍方程，運載工具的飛行範圍與升阻比成比例。

圖3A至圖3B示出了具有領先船舶和尾隨船舶的編隊飛行的示例。如圖3A的立體圖和圖3B的後視圖所示，下面對飛行編隊300進行描述。在該示例中，包括領先輪船330和尾隨輪船332的一對船舶310各自包括：船體312；水翼316，水翼316配置成為輪船產生升力，以允許這些輪船在操作中被水浮；水翼支承件318例如固定的水翼支承件；以及控制翼320。在一個示例中，船舶可以是載運貨物314以從一個位置到另一位置的長距離行進的貨船。

於本實施例中，如圖3A和圖3B這兩者所示，在操作中並沿方向334行進的領先輪船330在領先輪船330後面產生一對渦流。一個渦流340由水翼316的左翼尖產生，而另一渦流340由水翼316的右翼尖產生。由水翼316的左側產生的渦流340將導致領先輪船330後面的流體的一部分沿順時針方向進行軌道運動。由領先輪船的水翼316的右側產生的渦流340將使流體沿逆時針方向進行軌道運動。在該操作狀態下，在渦流340的中心軸線的一側上且在渦流340的另 一軸線上方的區域342將是升流區域。渦流340的在中心軸線的另一側上的另一區域344將是降流區域。

於本實施例中，可以操縱尾隨輪船332以將其自身定位至渦流340的升流區域，從而經受來自渦流340的升力。如較早論述的，尾隨輪船332可以由飛行員操縱或者由嵌入在尾隨輪船332的船舶控制系統中的自動駕駛儀單元操縱。如圖3A所示，尾隨輪船332可以從初始位置移動至最佳位置以使升流區域的益處最大化。如果尾隨輪船332在領先輪船330後面太遠或者遠離領先輪船330，則即使尾隨輪船在渦流的軸線的正確側行進，尾隨輪船332的水翼316所經受的速度場的大小也將是臨界的或可忽略的。

於本實施例中，如圖3B所示，升流區域342不是均勻的。例如，升流區域342可以呈帶有峰值升流區域的曲線的形狀。在該示例中，可以操縱尾隨輪船332以捕捉渦流340的升流區域，從而經受來自渦流340的最大升力量。在一個示例中，由於升流區域的每個部分的大小不均勻，因此水翼316的部分將經受與水翼316的其他部分的升力量不同的升力量，這是因為僅一部分水翼316可以經受區域342的峰值升流區域。因此，在該示例中，升起的水翼346可以被不斷地向上推動並遠離領先輪船330。在這種情況下，飛行員或自動駕駛儀將需要不斷地調節路線、航向或其組合，以使尾隨輪船332保持在遠離領先輪船330的設定距離處，或者將尾隨輪船332始終保持在渦流的峰值升流區域處。

於本實施例中，如圖4A至圖4C中進一步示出的那樣，下面對飛行編隊300進行描述。如圖4A所示，示出了包括領先輪船330和尾隨輪船332的一對船舶310的側視圖的示例，該一對船舶310各自包括：船體312；水翼316，水翼316配置成為輪船產生升力，以允許這些輪船在操作中被水浮；水翼支承件 318例如固定的水翼支承件；以及控制翼320。在一個示例中，船舶可以是載運貨物314以從一個位置到另一位置的長距離行進的貨船。如圖4A中進一步示出的，渦流340還具有沿著渦流340的中心線的峰值升流區域。在該示例中，尾隨輪船可以伸展或縮回其尾隨水翼319或者增大或減小尾隨輪船332的速度以將其尾翼水翼319定位至領先輪船330後面的峰值升流區域。在另一示例中，領先水翼317和尾隨水翼319是固定的，並且不相對於領先輪船330和尾隨輪船332的本體縮回或伸展。在另一示例中，用於領先水翼317和尾隨水翼319的水翼支承件可以相對於每個船舶的船體傾斜，使得水翼支承件不相對于水翼豎向地延伸而是成一定角度延伸。

於本實施例中，圖4B和圖4C示出了具有領先輪船330和尾隨輪船332的飛行編隊300的俯視圖。如圖4B和圖4C所示，尾隨輪船332位於領先輪船330的後方和左方的位置。在該示例中，尾隨輪船332處於第一位置350，並且已經從尾隨輪船332的船舶控制系統識別出最佳位置352。尾隨輪船可以生成第一矢量354，該第一矢量354識別出要操縱至最佳位置352的路線，以經受由領先輪船330所產生的渦流的最大升流。

圖5示出了由領先輪船(未示出)產生的渦流540，該渦流540經受由於海浪或水浪500--例如，長波長海浪--引起的變形。如圖5所示，由於海浪，水面522和水面下方的任何水顆粒平面將由於每個水顆粒具有軌道運動而變形，如水顆粒運動562和水顆粒運動564所示。通常，水面522附近的水顆粒將經受更大的軌道運動。這反過來影響水翼船舶產生的任何渦流。因此，水翼船舶的船隊將需要在編隊飛行期間適應任何變形的渦流，以便維持渦流的峰值升流區域的位置，原因在於渦流自身將變形。例如，可以通過識別水顆粒位置 和識別由於海浪引起的軌道相位來檢測變形的渦流。由傳感器例如在第一位置570處檢測到的渦流中的水顆粒可以變形至第二位置572。第二位置相對於第一位置的距離和位置可以由第一矢量表示，並且尾隨輪船可以對速度、距水面522的水翼距離、或其組合進行調節，以將水翼從原本會行進至的位置例如第一位置570改變至第二位置572，其中，在第一位置570中經受渦流的最大升流，在第二位置572中，最大升流位置已相對于海浪變形。

於本實施例中，變形渦流的位置的檢測和計算可以通過用於對變形渦流的測量值和特性進行計算的多種算法來確定。

渦流的位置可以通過估計渦流的線性疊加和海洋場的線性波運動來預測。

於本實施例中，用於確定渦流在波中的位置的方法是Airy線性波理論的應用。在該方法中，假設波在渦流產生與渦流能量捕獲之間的時間期間具有恒定的幅度和頻率。

渦流中心的初始位置由與渦流軸線垂直的平面中的x位置、y位置來描述，如圖7和圖8所示。座標系固定在水的平均表面上。粒子的偏移Δ

取決於參考粒子位置以及波的方向和相位。參考粒子位置xref定義為顆粒在沒有因軌道運動而發生任何偏移的情況下的位置-等效地，粒子在靜止水中的位置，方程由下式定義：

其中，Φ是波的相位，θ是波的方向。給定渦流的一些初始位置，參考渦流中心由迭代方法比如牛頓法確定。如下式所定義的：

於本實施例中，參考渦流中心可以用於在將來傳播渦流位置。誤差方程可以用於找到渦流的參考位置，其由下式定義：

在知道了渦流中心的參考位置的情況下，渦流中心可以近似為：

於本實施例中，在存在多個波場的情況下，擾動可以被視為線性疊加。

波場的每個分量的幅度、相位和方向可以通過包括但不限於雷達、激光雷達和可見光譜成像方法的方法根據在領先輪船或尾隨輪船周圍進行的測量來計算。

圖6示出了用於操作水運船舶的示例過程的流程圖。在一個示例中，可以執行該過程以操作和管理正在操作的水運船舶的船隊。

在圖6的示例流程圖60中，在步驟600處，船舶控制系統可以確定領先船舶的位置訊號和速度訊號。

在步驟601處，船舶控制系統可以由一個或多個傳感器檢測附近船舶的相對位置，該附近船舶包括領先船舶或者與水運船舶不同的尾隨船舶。

在步驟602處，船舶控制系統可以從一個或多個傳感器接收由領先船舶產生的渦流的流體速度場的測量值。

在步驟603處，船舶控制系統可以由一個或多個傳感器檢測在渦流的區域中操作的水運船舶所經受的提升力。

此外，在步驟604處，船舶控制系統可以將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置。

圖7示出了用於操作水運船舶的示例過程的另一流程圖。

在圖7的示例流程圖70中，在步驟700處，船舶控制系統可以確定領先船舶的位置訊號和速度訊號。

在步驟701處，船舶控制系統可以由一個或多個傳感器檢測附近船舶的相對位置，該附近船舶包括領先船舶或者與水運船舶不同的尾隨船舶。

在步驟702處，船舶控制系統可以從一個或多個傳感器接收由領先船舶產生的渦流的流體速度場的測量值。

在步驟703處，船舶控制系統可以由一個或多個傳感器檢測在渦流的區域中操作的水運船舶所經受的提升力。

在步驟704處，船舶控制系統可以基於相對位置、流體速度場的大小和提升力實時地確定最佳位置。

此外，在步驟705處，船舶控制系統可以將水運船舶從第一位置操縱至最佳位置。

圖8示出了用於操作水運船舶的示例過程的另一流程圖。

在圖8的示例流程圖80中，在步驟800處，船舶控制系統可以確定領先船舶的位置訊號和速度訊號。

在步驟801，船舶控制系統可以由一個或多個傳感器檢測附近船舶的相對位置，該附近船舶包括領先船舶或者與水運船舶不同的尾隨船舶。

在步驟802處，船舶控制系統可以從一個或多個傳感器接收由領先船舶產生的渦流的流體速度場的測量值。

在步驟803處，船舶控制系統可以由一個或多個傳感器檢測在渦流的區域中操作的水運船舶所經受的提升力。

在步驟804，船舶控制系統可以確定由領先船舶產生的渦流的峰值升流區域。

於本實施例中，此外，在步驟805處，船舶控制系統可以將船舶實時地操縱至最佳位置。

於本實施例中，本文中所使用的術語僅出於描述特定方面的目的，並且不旨在限制本公開。如本文中所使用的，單數形式“一”、“一個”和“該”旨在也包括複數形式，除非上下文另有明確指示。還將理解的是，術語“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或其組合當在本說明書中使用時指定所陳述的特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、部件和/或其組的存在或添加。

儘管已經參照本公開的具體示例具體地示出和描述了本公開，但是應當理解的是，可以在不脫離本發明的範圍的情況下對所公開的示例的形式和細節進行改變。儘管本文已經參照各種示例論述了本公開的各種優點、方面和目的，但是應當理解的是，本公開的範圍不應當通過參照這樣的優點、方面和目的來限制。相反，本公開的範圍應當參照權利要求來確定。

雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍

100:渦流

Claims (24)

1. 一種用於操作水運船舶的系統，所述系統包括：一通訊單元，該通訊單元配置成接收第一船舶的位置訊號和該第一船舶的速度訊號；第一感測單元，該第一感測單元配置成確定包括該第一船舶的一個或多個附近船舶的相對位置訊號；第二感測單元，該第二感測單元配置成檢測和測量圍繞該水運船舶的渦流的流體速度場；第三感測單元，該第三感測單元配置成檢測和測量該水運船舶在該渦流的升流區域中操作所經受的提升力的效率增益；以及控制單元，該控制單元配置成將該水運船舶從第一位置操縱至最佳位置；其中，該水運船舶是水翼船舶；其中，該水翼船舶包括一個或多個水翼組件，該一個或多個水翼組件以可操作的方式連接至該水運船舶的船體並且構造成在該水運船舶的操作期間產生升力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該一個或多個水翼組件中的每個水翼組件均能夠豎向地調節以改變該一個或多個水翼組件與該船體之間的距離。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該渦流由該第一船舶的第一水翼組件其中之一產生。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該第一感測單元還包括具有全球定位系統(GPS)、光檢測和測距(LiDar)傳感器、雷達、無源光學器件或其組合的一個或多個傳感器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該第二感測單元還包括具有聲納傳感器、超聲傳感器、聲學都卜勒流速剖面儀或其組合的一個或多個傳感器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該第三感測單元還包括具有一個或多個慣性傳感器、陀螺儀、加速度計、慣性測量單元(IMU)、應變儀、測力傳感器或其組合的一個或多個傳感器。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該第三感測單元的一個或多個傳感器以可操作的方式連接至該水運船舶的水翼組件。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該最佳位置由至少部分地基於該第一船舶的該位置訊號和該速度訊號的該控制單元、該第一感測單元的該相對位置訊號、該第二感測單元測量的該流體速度場、該第三感測單元測量的該提升力、或其組合來確定。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該最佳位置還通過確定圍繞該水運船舶的該渦流的峰值升流區域來確定。
10. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中更包括一第二控制單元，該第二控制單元配置成自動接收該相對位置訊號、該流體速度場、測量的該渦流的升流區域的位置、該水運船舶經受的該提升力、或其組合，並且將該水運船舶操縱至該最佳位置。
11. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中更包括控制介面，該控制介面用於接收來自用戶、遠程設備或其組合的輸入，並且用於向該用戶、該遠程設備或其組合傳輸包括該相對位置訊號、該流體速度場、該效率增益或其組合的感測訊號。
12. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該控制單元還包括配置成檢測水的自由表面相對於該水運船舶的水翼的位置並且在確定該最佳位置時結合該水的該自由表面的位置的計算單元。
13. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該控制單元還包括配置成檢測海浪並且在確定該最佳位置時結合由該海浪引起的渦流變形的計算單元。
14. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該控制單元配置成保持該水運船舶與該第一船舶的相對位置。
15. 如申請專利範圍第1項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該水運船舶從該第一位置操縱至該最佳位置減小了該水運船舶經受的阻力。
16. 一種用於操作水運船舶的系統，所述系統包括：通訊單元，該通訊單元配置成接收第一船舶的位置訊號和該第一船舶的速度訊號；一個或多個感測單元，該一個或多個感測單元配置成識別最佳位置；以及控制單元，該控制單元配置成將該水運船舶從第一位置操縱至該最佳位置； 其中，該一個或多個感測單元包括第三感測單元，該第三感測單元配置成檢測和測量水運船舶在該渦流的升流區域中操作所經受的提升力的效率增益進行；其中，該最佳位置由至少部分地基於該第一船舶的該位置訊號和該速度訊號的該控制單元、該第一感測單元的該相對位置訊號、該第二感測單元測量的該流體速度場、測量的該第三感測單元的該提升力、或其組合來確定。
17. 如申請專利範圍第16項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該水運船舶從該第一位置操縱至該最佳位置減小了該水運船舶經受的阻力。
18. 如申請專利範圍第16項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該一個或多個感測單元包括第一感測單元，該第一感測單元配置成確定包括該第一船舶的一個或多個附近船舶的相對位置訊號。
19. 如申請專利範圍第16項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該一個或多個感測單元包括第二感測單元，該第二感測單元配置成檢測和測量圍繞該水運船舶的渦流的流體速度場。
20. 如申請專利範圍第16項所述之用於操作水運船舶的系統，其中該最佳位置還通過確定圍繞該水運船舶的該渦流的峰值升流區域來確定。
21. 一種用於操作尾隨船隻的系統，所述系統包括：控制單元，該控制單元用於將該尾隨船隻從第一位置操縱至第二位置；第一感測單元，該第一感測單元配置成對確定包括領先船隻或一個或多個不同的尾隨船隻的一個或多個附近船隻的相對位置； 第二感測單元，該第二感測單元配置成檢測和測量由該領先船隻產生的渦流的流體速度場；第三感測單元，該第三感測單元配置成檢測和測量該尾隨船隻在由該領先船隻產生的該渦流的升流區域中操作的效率增益；控制介面，該控制介面用於接收輸入並且向用戶或遠程設備發送與該最佳位置相關聯的引導訊號；其中，由該領先船舶產生的該渦流確定該峰值升流區域；以及將該水運船舶實時操縱至該最佳位置。
22. 如申請專利範圍第21項所述之用於操作尾隨船隻的系統，其中該自動駕駛儀單元配置成自動接收位置感測訊號、渦流訊號、升流訊號、升力感測訊號、或其組合，並且將該尾隨船隻操縱至該最佳位置。
23. 一種用於操作水運船舶的方法，所述方法包括：確定領先船舶的位置訊號和速度訊號；由一個或多個傳感器檢測附近船舶的相對位置，其中，該附近船舶包括該領先船舶或者與該水運船舶不同的尾隨船舶；從一個或多個傳感器接收由該領先船舶產生的渦流的流體速度場的測量值及由該領先船舶產生的該渦流確定該峰值升流區域；由一個或多個傳感器檢測該水運船舶在該渦流的區域中操作所經受的提升力；以及將該水運船舶從第一位置實時操縱至最佳位置。
24. 如申請專利範圍第23項所述之用於操作水運船舶的方法，更包括： 在該水運船舶的控制單元處，基於該相對位置、該流體速度場的大小、該提升力、或其組合實時地自動確定該最佳位置；以及將該水運船舶自動操縱至該最佳位置。

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