一种新型风光互补供能无人帆船及其控制方法技术

本实用新型专利技术涉及一种新型风光互补供能无人帆船，所述无人帆船包括控制系统、翼帆动力系统、风光储能及驱动系统和船体，控制系统包括硬件控制器、监测平台，翼帆动力系统包括翼帆、翼帆控制装置，风光储能及驱动系统包括太阳能板、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器、储能装置。采用风能和太阳能双动力互补推进，可靠性高，具有无限的续航里程。本实用新型专利技术采用太阳能直接发电与风能间接发电互补发电系统，结合储能装置，可以为无人船任务载荷提供无限电能保障；首次提出了利用电推进装置进行发电；采用双电推进装置，通过差速进行转向，可以解决低速航行时舵效率降低的问题，可以实现原地转向，使无人船定位精度较高。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种新型结构的、利用太阳能和风能互补功能的无人船系统及其控制方法。
技术介绍
近年来国际上对无人汽车、无人飞机等的研究有了许多重要突破，但在无人水面船(Unmanned Surface Vehicle，简称USV)方面，由于研宄对象及环境的复杂性，数十年来，取得的成果还难与无人机、无人车和无人潜水机器人媲美。无人船作为一种新概念船，可谓是船舶发展的一个新的里程碑。无人船也可称为水面机器人，它是依靠自主方式在水面航行的无人化、智能化的平台，主要用于各种水域环境下执行一些危险以及不适于载人船只执行的任务。在无人船领域，当前主要存在以下的技术难题：1、目前无人船存在最大的缺点就是因为船体较小，无法携带足够的燃料，因此航行时间和续航里程是极为有限的。而我国海洋范围广阔，特别是在南海地区，需要大范围的监控，因此航程的限制极大地影响了无人船在海洋领域的大范围的应用。2、由于现有的无人船主要是以内燃机作为动力，携带大量燃料，因此降低了无人船的有效载荷。而在进行环境监测时由于自身排出的废气或者油污会影响水体或者空气采样的准确性。另外燃料的补给使得系统的使用成本非常高，维护非常复杂。3、智能化是无人船的重中之重，也是研究中的最大难点，由于无人船要具备在极其恶劣的海况条件下安全航行的能力，并完成相应的使命任务，而且在远程、超出人的视距范围时还能精准的进行自主导航、规避障碍物等，因此实时的监测航行中各种气象数据、进行实时定位十分重要。不难总结出，目前所有无人船存在最大问题就是航程的限制，由于无人船多采用内燃机或者蓄电池单一的驱动系统作为动力，因此航程很难达到1000公里以上。无人船只是一个水面移动平台，还需要搭载任务设备，因此自身对电力供应要求也比较高。任务设备的增加不仅会使燃料的装载进一步降低，而且会对航程有更加不利的影响。如何制作新型能源供能以达到超长续航能力的、结构精简的无人船是无人船创新发展的关键。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是克服现有无人船续航能力有限、供能紧张技术的不足，旨在提供一种太阳能与风能互补驱动方式以实现无限续航里程。本技术采取的技术方案为：一种新型风光互补功能无人帆船结构，包括硬件控制器、监测平台、翼帆、太阳能板、通过太阳能板支架、无人船船体、翼帆控制装置、尾舵、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器以及储能装置。硬件控制器、监测平台是其控制系统主要组成，翼帆、翼帆控制装置是其翼帆动力系统主要组成，太阳能板、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器、储能装置是其风光储能及驱动系统主要组成。所述太阳能功率优化控制器、储能装置固定于无人船船体的骨架上，太阳能板通过太阳能板支架固定于无人船船体上，电驱动水下推进系统安装在翼帆控制装置上，翼帆控制装置安装在无人船船体上，监测平台、翼帆与翼帆控制装置之间为机械连接，监测平台、翼帆控制装置、电驱动水下推进系统、太阳能功率优化控制器与硬件控制器为电气连接。所述监测平台，包括在传感器安装方管上依次安装有风速传感器、风向传感器、光照度传感器以及无人船位姿检测仪。风速传感器、风向传感器、光照度传感器用于实时检测航行水域的气象数据，进而充分利用风能、光能对无人船循环供能；无人船位姿检测仪集成了陀螺仪、电子罗盘、加速度传感器以及GPS定位器，通过信号采集模块将陀螺仪、电子罗盘、加速度传感器三个传感器数据采集到控制系统中，利用卡尔曼滤波技术进行无人船的姿态解算，得到无人船的航向、俯仰、横滚三个轴的信息，用于船体姿态的控制，而位置检测是通过GPS实现的，通过位置检测模块将无人船的经纬度坐标读入中心控制器，然后经由GPRS模块发送给监控终端，监控终端的操作人员将任务指令如目标地点、巡航路线等下发到无人船中。所述无人船翼帆控制装置包括机械盒、内管、外管、上外壳、单轴电机、翼帆旋转齿轮、翼帆旋转编码器。其中，所述内管嵌套在外管的内部，外管穿过无人船的翼帆作为整个无人船的桅杆，内管上端与监测平台的传感器安装方管相固定，下端与翼帆旋转编码器相固定，单轴电机通过翼帆旋转齿轮的转动，带动翼帆旋转，当翼帆转动时，编码器工作以采集翼帆的旋转角度信息，根据风速、风向、航向、无人船的姿态，控制系统解算出翼帆的最佳攻角，进一步给出翼帆转动的角度，通过控制器控制舵机完成翼帆的控制动作。所述无人船包括一套太阳能供电系统，其中包含太阳能板、太阳能功率优化控制器和太阳能板支架。在翼帆的两个表面上分别贴有柔性薄膜太阳能电池，另外在前后甲板上也贴有同样材质的太阳能电池。不同部位的太阳能电池板根据功率和电压等级的不同分别进行串并联组合，组成太阳能电池阵列。每个太阳能电池分别通过太阳能电池功率优化器控制，使之能够降低因翼帆等设备的阴影所产生的发电量损失。所述无人船电驱动水下推进系统包括水下推进器安装板、推进器支杆、沉铅、带浆电机。沉铅与电机均安装在推进器支杆上，两台电驱动水下推进器，分别通过推进器安装板固定在翼帆控制装置的两侧，这样两台推进器不仅可以控制无人船的航行，还可以控制无人船的转向，甚至可以原地转向，另外也可以起到无人船的压载作用，用以平衡翼帆上所受到的倾转力矩。电驱动水下推进系统可以驱动无人船在无风条件下航行，也可以通过差速进行主动转向和被动转向，也可以在风较大时进行间接风力发电。所述无人船船体采用玻纤维材质，船体作为无人船各个部分的主要载体，船体内部包含骨架作为各个控制器安装及支撑框架。本技术中实现一种新型风光互补供能无人帆船的控制方法，根据所述的一种新型风光互补供能无人帆船的结构，其相应的控制方法为：监测平台实时监测航行气象数据、位姿位置信息并返回控制中心，根据风速、风向、太阳照度、时间等信息自主规划路径，对无人船的航迹、航速、能量、推进模式等进行优化管理，使得系统能够最大限度地保证任务的完成；所述一种新型风光互补供能无人帆船，采用太阳能直接发电与风能间接发电互补发电系统，结合储能装置，可以为无人船任务载荷提供无限电能保障，在风速较大时，通过多层次优化策略确定推进模式为：风力推进-电驱动系统发电模式，此时关闭电驱动水下推进系统上带浆电机的硬件系统控制下的工作状态，使其处于自由状态，无人船利用翼帆产生前进动力，当无人船前进时带动电驱动水下推进系统的带浆电机旋转发出动力，利用电力电子装置进行升压控制从而进行间接发电，该模式不需要增加任何硬件系统即可以利用风能间接发电，从而保证了控制系统以及任务载荷系统对电能的需求，与此同时太阳能板又可吸收光能对整个无人船进行直接供能，保证在风速较低时通过储存的太阳能来维持系统稳定工作。所述一种新型风光互补供能无人帆船，采用双电驱动水下推进系统，在翼帆控制装置的机械盒的两侧均安装电驱动水下推进系统，通过差速进行转向，可以解决低速航行时舵效率降低的问题，可以实现原地转向，使无人船定位精度较高。本技术的有益效果是：本技术采用风能和太阳能双动力互补推进，可靠性高，具有无限的续航里程。本技术采用太阳能直接发电与风能间接发电互补发电系统，结合储能装置，可以为无人船任务载荷提供无限电能保障。本技术的采用太阳能一体化翼帆结构，使推进系统系统更加紧凑。本技术采用双电推进装置，通过差速进行转向，可以解决低速航行时舵效率降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型风光互补供能无人帆船，包括控制系统、翼帆动力系统、风光储能及驱动系统和船体，其特征在于，控制系统包括硬件控制器(3)、监测平台(4)；翼帆动力系统包括翼帆(5)、翼帆控制装置(9)；风光储能及驱动系统包括太阳能板(6)、2n个电驱动水下推进系统(11)、太阳能功率优化控制器(32)、储能装置(31)，n≥1；所述监测平台(4)安装在翼帆(5)顶部；太阳能功率优化控制器(32)、储能装置(31)、翼帆控制装置(9)、太阳能板(6)固定于无人船船体(8)上；电驱动水下推进系统(11)分别安装在船体两侧，翼帆控制装置(9)上；监测平台(4)、翼帆控制装置(9)、电驱动水下推进系统(11)、太阳能功率优化控制器(32)与硬件控制器(3)为电连接。

【技术特征摘要】
1.一种新型风光互补供能无人帆船，包括控制系统、翼帆动力系统、风光储能及驱动系统和船体，其特征在于，控制系统包括硬件控制器(3)、监测平台(4)；翼帆动力系统包括翼帆(5)、翼帆控制装置(9)；风光储能及驱动系统包括太阳能板(6)、2n个电驱动水下推进系统(11)、太阳能功率优化控制器(32)、储能装置(31)，n≥1；所述监测平台(4)安装在翼帆(5)顶部；太阳能功率优化控制器(32)、储能装置(31)、翼帆控制装置(9)、太阳能板(6)固定于无人船船体(8)上；电驱动水下推进系统(11)分别安装在船体两侧，翼帆控制装置(9)上；监测平台(4)、翼帆控制装置(9)、电驱动水下推进系统(11)、太阳能功率优化控制器(32)与硬件控制器(3)为电连接。2.根据权利要求1所述的一种新型风光互补供能无人帆船，其特征在于,所述监测平台(4)包括风速仪(12)、风向仪(13)、光照度传感器(14)、传感器安装方管(15)、无人船位姿检测仪(30)；风速仪(12)、风向仪(13)、光照度传感器(14)、无人船位姿检测仪(30)均固定安装在传感器安装方管(15)上。3.根据权利要求1所述的一种新型风光互补供能无人帆船，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：冬雷，邵立伟，
申请(专利权)人：中山艾德克智能控制科技有限公司，中山北京理工大学研究院，
类型：新型
国别省市：广东;44