一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器，属于海洋无人航行器技术领域，包括刚性风帆和船壳，所述刚性风帆的底部通过帆轴安装在所述船壳上，所述刚性风帆以所述帆轴为轴转动，其特征在于：包括左右对称设置于所述船壳中轴线两侧的帆绳，所述帆绳的一端连接所述刚性风帆，所述帆绳帆绳的另一端连接所述船壳，所述帆绳具有收缩弹性；所述帆绳在无弹性的自由状态下被所述刚性风帆通过绕帆轴转动而拉直的状态下，刚性风帆的转帆角β为β0。本无人航行器在无功耗条件下借助弹性绳的伸长弹力实现与风帆气动力自平衡，进而达到转帆角调控目的，以缩减逆风条件下不可航行区间范围，提升顺风条件下获取的推进力。推进力。推进力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器


[0001]本专利技术属于海洋无人航行器
，尤其涉及一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器。

技术介绍

[0002]风帆驱动技术依靠海面自然风能实现船舶、无人航行器的航行推进，该技术显著降低了航行能耗，可明显提升海洋无人航行器的续航力与自持力。风帆驱动技术有两项性能尤为重要，一是逆风不可航行区间范围，二是顺风条件下获取的推进力。
[0003]早前，无人航行器采用较为简单的固定风帆转帆角方案，即风帆的安装位置固定不变，在不确定的风向、风速、航向条件下，风帆的气动力攻角随机变化。然而，此种方案的风帆无法持续保持在最佳的气动特性状态，风帆驱动性能较差。
[0004]近年来，无人航行器多采用风帆转帆角主动调控技术途径以实现在不确定的风向、风速、航向条件下获取较佳的风帆驱动性能，即根据气象传感器采集的风向与风速信息并结合目标航向，中控系统解算出最大化获取气动力的风帆转帆角并驱动转帆执行机构动作。然而，转帆角主动调控技术途径存在转帆动作能耗高、转帆执行机构复杂与载荷沉重、耐候性差、高海况条件下生存力低等诸多缺陷。可见，转帆角主动调控技术途径对负载能力有限、能耗水平较低的中小型无人航行器并不适用。因此，发展一种适用于无人航行器的无需主动调控转帆角的风帆驱动技术十分必要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了破解风帆驱动的主动转帆调控技术瓶颈，提出一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器。无人航行器在无功耗条件下借助弹性绳的伸长弹力实现与风帆气动力自平衡，进而达到转帆角调控目的，以缩减逆风条件下不可航行区间范围，提升顺风条件下获取的推进力。
[0006]本专利技术是这样实现的，一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器，包括刚性风帆和船壳，所述刚性风帆的底部通过帆轴安装在所述船壳上，所述刚性风帆以所述帆轴为轴转动，其特征在于：包括左右对称设置于所述船壳中轴线两侧的帆绳，所述帆绳的一端连接所述刚性风帆，所述帆绳帆绳的另一端连接所述船壳，所述帆绳具有收缩弹性；所述帆绳在无弹性的自由状态下被所述刚性风帆通过绕帆轴转动而拉直的状态下，刚性风帆的转帆角β为β0。
[0007]在上述技术方案中，优选的，所述帆绳由弹性绳与非弹性绳组成，所述非弹性绳的一端与所述刚性风帆连接，所述非弹性绳的另一端与所述弹性绳的一端连接，所述弹性绳的另一端与所述船壳连接。
[0008]在上述技术方案中，优选的，所述船壳的两侧对称安装滚轮，所述帆绳自外侧绕过所述滚轮并形成自外向内的转向角。
[0009]在上述技术方案中，优选的，所述非弹性绳上安装卡扣，所述弹性绳的收缩弹性令
所述卡扣抵靠所述滚轮。
[0010]在上述技术方案中，优选的，所述刚性风帆为NACA0010翼型的船帆，所述刚性风帆为梯形。
[0011]在上述技术方案中，优选的，所述刚性风帆的下部设置平衡杆，所述平衡杆与所述帆轴连接且沿与所述帆轴垂直的方向向刚性风帆前方延伸。
[0012]在上述技术方案中，优选的，所述平衡杆上安装有配重部。
[0013]在上述技术方案中，优选的，所述船壳包括上船壳和下船壳，所述上船壳和下船壳中间设置密封胶皮，所述上船壳和下船壳连接且构成密闭船舱。本专利技术无人航行器采用了上船壳和下船壳由周向布置螺栓紧固形成密闭船舱方案。该方案船舱为一个“贝壳”式结构，防渗水性能优越，抗沉性好，在高海况下的生存力强。
[0014]在上述技术方案中，优选的，所述下船壳的底部固定平衡板，所述平衡板上安装配重块，所述平衡板的末端通过铰链安装尾舵。
[0015]在上述技术方案中，优选的，所述船壳安装控制盒、铱星通讯模块、主控模块、太阳能控制模块、太阳能板、锂电池、天线杆、气象站、铱星天线以及驱动所述尾舵的舵机。除刚性风帆获取航行推进力之外，太阳能板俘获电能，航行器中的用电器件仅涉及控制模块、通讯模块、气象站、舵机。航行器可实现航行推进与自持用电能耗完全由自然能源(风能、太阳能)自给。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0017]1.本专利技术仅在无人航行器的船壳顶部对称布置两条具有收缩弹性的帆绳，借助帆绳的伸长弹力实现与不确定风场条件下的风帆气动力自平衡，无需额外的转帆动作执行机构便实现转帆角的自调节。相比风帆转帆角主动调控技术途径，本专利技术显著精简了风帆转帆角调控系统，调控仅需两条具有收缩弹性的帆绳与少量的连接零件，且实施风帆转帆角调控动作为零功耗。
[0018]2.与固定风帆转帆角的方案相比，本专利技术提出的基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动方案在相同的起始转帆角条件下可获取的航行器推进力更大；在获取相同的推进力条件下，逆风不可航行区间范围更小。
[0019]3.本专利技术所提出的自平衡风帆驱动方案可显著精简无人航行器的电控与能源系统，大大降低无人航行器的功耗水平。
附图说明
[0020]图1a是本专利技术航行器结构示意图；
[0021]图1b是本专利技术航行器内部结构示意图；
[0022]图2是本专利技术帆轴示意图；
[0023]图3是本专利技术侧向力示意图；
[0024]图4是本专利技术基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动原理图；
[0025]图5是气动推进力随航行器相对风向角变化结果图。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0027]为了破解风帆驱动的主动转帆调控技术瓶颈，提出一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器。无人航行器在无功耗条件下借助弹性绳的伸长弹力实现与风帆气动力自平衡，进而达到转帆角调控目的，以缩减逆风条件下不可航行区间范围，提升顺风条件下获取的推进力。为了进一步说明本专利技术的结构，结合附图详细说明书如下：
[0028]请参阅图1和图2，本专利技术提供的一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器，主要包括：刚性风帆1，船壳2，自平衡板3，尾舵4，配重块5，天线杆6，气象站7，铱星天线8，太阳能板9。
[0029]如图1，船壳2包括上船壳2a和下船壳2b两部分，上船壳2a和下船壳2b 均由玻璃钢材料一体成型制成。上船壳2a和下船壳2b中间夹一层密封胶皮17，并沿着船壳2边缘周向紧密均布螺栓进行合舱锁紧密闭，构成了密闭船舱，以增强船壳2恶劣海况下的生存能力，抵御海冰或漂浮碎片的碰撞。太阳能板9 安装在上船壳2a上。上船壳2a顶部为平面，以扩充太阳能板9的铺装面积。
[0030]如图1、2所示，刚性风帆1位于上船壳2a头部上侧，其通过碳纤维编织成型，形成一个NACA0010翼型的船帆，帆面采用梯形以降低帆面质心高度。轴承20嵌入在位于上船壳2a头部的帆轴支撑座21内，刚性风帆1底部的帆轴 18插入在轴承2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器，包括刚性风帆(1)和船壳(2)，所述刚性风帆(1)的底部通过帆轴(18)安装在所述船壳(2)上，所述刚性风帆(1)以所述帆轴(18)为轴转动，其特征在于：包括左右对称设置于所述船壳(2)中轴线两侧的帆绳(14)，所述帆绳(14)的一端连接所述刚性风帆(1)，所述帆绳帆绳(14)的另一端连接所述船壳(2)，所述帆绳(14)具有收缩弹性；所述帆绳(14)在无弹性的自由状态下被所述刚性风帆(1)通过绕帆轴(18)转动而拉直的状态下，刚性风帆(1)的转帆角β为β0。2.根据权利要求1所述的基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器，其特征在于：所述帆绳(14)由弹性绳(14a)与非弹性绳(14b)组成，所述非弹性绳(14b)的一端与所述刚性风帆(1)连接，所述非弹性绳(14b)的另一端与所述弹性绳(14a)的一端连接，所述弹性绳(14a)的另一端与所述船壳(2)连接。3.根据权利要求2所述的基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器，其特征在于：所述船壳(2)的两侧对称安装滚轮(11)，所述帆绳(14)自外侧绕过所述滚轮(11)并形成自外向内的转向角。4.根据权利要求3所述的基于弹性绳约束的转帆角自平衡风帆驱动无人航行器，其特征在于：所述非弹性绳(14b)上安装卡扣(15)，所述弹性绳(14a)的收缩弹性令所述卡扣(15)抵靠所述滚轮(11)。5.根据权利要求4所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亚楠，尹宋炜，王树新，王延辉，张宏伟，刘玉红，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：