一种支持风帆推进的水中航行器[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1045366 A(43)申请公布日 2018.12.07

(21)申请号 2018107596.2(22)申请日 2018.07.11

(71)申请人 哈尔滨工程大学

地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南

通大街145号(72)发明人 秦洪德　曹金梦　邓忠超　朱仲本　

李聘鹏　(74)专利代理机构 合肥国和专利代理事务所

(普通合伙) 34131

代理人 崔雅丽(51)Int.Cl.

B63H 9/06(2006.01)B63H 21/17(2006.01)B63G 8/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页

()发明名称

一种支持风帆推进的水中航行器(57)摘要

本发明涉及一种支持风帆推进的水中航行

电池、十字型舵，螺旋桨、翼帆帆器，包括主船体、

板、太阳能电池板、风向风速仪、下沉龙骨、报警设备。这种航行器的设计可借助风力航行，并且有效使用太阳能蓄电，可有效的解决电能使用快，电池储电不充足等问题，从而会在一定程度上提升自动化程度以及续航能力。采用刚性的翼帆帆板，操控简易，效率高，能提高航行性能，还能避免帆面破损时帆船失去动力，更有利于无人帆船的长期工作。

CN 1045366 ACN 1045366 A

权　利　要　求　书

1/1页

1.一种支持风帆推进的水中航行器，其特征在于，包括以下内容：所述水中航行器包括主船体、电池、小型排水舱、十字型舵、螺旋桨、翼帆帆板、太阳能电池板、风向风速仪、下沉龙骨、报警设备；

所述主船体为流线型，且所述主船体上布置有所述小型排水舱、所述十字型舵、所述螺旋桨和所述电池；所述小型排水舱用于控制所述水中航行器的上浮和下潜；所述十字型舵和所述螺旋桨用于控制所述水中航行器的转向以及推进；所述水中航行器以风为动力，所述电池在风力不足时为所述水中航行器补充动力；

所述翼帆帆板用于利用风力推进所述水中航行器；所述翼帆帆板可折叠：当所述水中航行器在水下航行时，所述翼帆帆板为收起状态，当所述水中航行器在水面航行时，所述翼帆帆板打开，根据风向进行风帆助航；所述翼帆帆板上布置有所述太阳能电池板和所述风速风向仪，所述太阳能电池板用于为所述水中航行器补充动力，所述风速风向仪用于测量风速；

所述下沉龙骨用于保持所述水中航行器的稳定性；所述下沉龙骨可折叠：当所述水中航行器在水下航行时，所述下沉龙骨为收起状态，当所述水中航行器在水面航行时，所述下沉龙骨伸展开，从而减轻所述水中航行器因所述翼帆帆板受风力而产生的较大横摇，保持所述水中航行器的稳定性，防止所述水中航行器横向漂移；

所述报警设备用于检测所述水中航行器的稳定性；所述报警设备存储有所述水中航行器的总质量、所述翼帆帆板的表面积；所述报警设备和所述风向风速仪相连，可实时获取所述风速风向仪测量的风速以及所述水中航行器的速度；所述报警设备实时计算速率因子，所述速率因子用公式一进行计算：

公式一：

其中，ω为所述速率因子，取值是0～1之间的有理数；u为所述水中航行器的速度，v为所述风速风向仪测量的风速，所述u和所述v的取值均为正实数，单位是米每秒；s是所述翼帆帆板的表面积，取值为正实数，单位是平方米；m是所述水中航行器的总质量，取值为正实数，单位是吨；k是调整系数，取值为正实数，由工作人员设定；

如果所述速率因子小于0.5，则所述报警设备鸣笛提醒工作人员改变航行速度，直至工作人员调整所述水中航行器的速度后使得所述速率因子不小于0.5，所述报警设备停止鸣笛。

2

CN 1045366 A

说　明　书

一种支持风帆推进的水中航行器

1/4页

技术领域

[0001]本发明涉及一种支持风帆推进的水中航行器。

背景技术

[0002]无人帆船作为一款全新的无人海洋机器人，它与传统的海洋监测工具相比有着诸多优点：

[0003]1)无人帆船使用风作为推进动力，完全不受燃料或电池的，避免了水下机器人、水面机动艇由于受所携带燃料和电池的而不能长时间持续作业和巡航的缺陷；[0004]2)比起海上定点浮标的定点困难、单个浮标的监测范围小、投放与回收困难、适应能力差等缺点，无人帆船作为机动的监测系统而不存在那些问题；[0005]3)无人帆船以风帆为动力装置，电池主要为船上的帆、舵调整装置以及工作所需的传感器、计算机、处理器等仪器设备提供能源，再加上帆船上可以布置太阳能电池板，因此无人帆船能够做到全天候长时间的巡航工作；[0006]4)无人帆船无需人为的特殊干预、操控，可以做的自动行驶、工作，另外其制造以及使用成本也相对低廉。

发明内容

[0007]有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的支持风帆推进的水中航行器。

[0008]为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：一种支持风帆推进的水中航行器，包括以下内容：

[0009]水中航行器包括主船体、电池、十字型舵，螺旋桨、翼帆帆板、太阳能电池板、风向风速仪、下沉龙骨、报警设备；[0010]主船体流线型，且主船体上布置有小型排水舱、十字型舵、螺旋桨和电池；小型排水舱用于控制水中航行器的上浮和下潜、十字型舵和螺旋桨用于控制水中航行器的转向以及推进；水中航行器以风为动力，电池在风力不足时为水中航行器补充动力；[0011]翼帆帆板用于利用风力推进水中航行器；翼帆帆板可折叠：当水中航行器在水下航行时，翼帆帆板为收起状态，当水中航行器在水面航行时，翼帆帆板打开，根据风向进行风帆助航；翼帆帆板上布置太阳能电池板，风速风向仪；太阳能电池板用于为水中航行器补充动力；风速风向仪用于测量风速；

[0012]下沉龙骨用于保持水中航行器的稳定性；下沉龙骨可折叠：当水中航行器在水下航行时，下沉龙骨为收起状态，当水中航行器在水面航行时，下沉龙骨伸展开，从而减轻水中航行器因翼帆帆板受风力产生的较大横摇，保持水中航行器的稳定性，防止水中航行器横向漂移；

[0013]报警设备用于检测水中航行器的稳定性；报警设备存储有水中航行器的总质量、翼帆帆板的表面积；报警设备和风向风速仪相连，可实时获取风速风向仪测量的风速以及

3

CN 1045366 A

说　明　书

2/4页

水中航行器的速度；报警设备实时计算速率因子，速率因子用公式一进行计算：

[0014][0015]

公式一：

其中，ω为速率因子，取值是0～1之间的有理数；u为水中航行器的速度，v为风速风向仪测量的风速，取值为正实数，单位是米每秒；s是翼帆帆板的表面积，取值为正实数，单位是平方米；m是水中航行器的总质量，取值为正实数，单位是吨；k是调整系数，取值为正实数，由工作人员设动；

[0016]如果速率因子小于0.5，则报警设备鸣笛提醒工作人员改变航行速度，直至工作人员调整水中航行器的速度后使得速率因子不小于0.5，报警设备鸣笛停止鸣笛。[0017]本发明的有益成果为：本发明提供了一种支持风帆推进的水中航行器，包括主船体、电池、十字型舵，螺旋桨、翼帆帆板、太阳能电池板、风向风速仪、下沉龙骨、报警设备。这种航行器的设计可借助风力航行，并且有效使用太阳能蓄电，可有效的解决电能使用快，电池储电不充足等问题，从而会在一定程度上提升自动化程度以及续航能力。采用刚性的翼帆帆板，操控简易，效率高，能提高航行性能，还能避免帆面破损时帆船失去动力，更有利于无人帆船的长期工作。

具体实施方式

[0018]为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：[0019]实施例1：本实施例举例说明了自主水下航行器的具体结构，如下：[0020]水中航行器包括主船体、电池、十字型舵，螺旋桨、翼帆帆板、太阳能电池板、风向风速仪、下沉龙骨、报警设备、定位装置、通信装置；[0021]主船体流线型，主船体以龙骨型帆船为设计基础，船体内部的舱室按结构强度、设备仪器的大小等因素进行划分，在保证船体强度的同时能够放下所需要的仪器设备；其中内部的风帆转动机构在控制单元的操纵下对翼帆帆板进行控制；[0022]主船体上布置有小型排水舱、十字型舵、螺旋桨和电池；小型排水舱用于控制水中航行器的上浮和下潜、十字型舵和螺旋桨用于控制水中航行器的转向以及推进；水中航行器以风为动力，电池在风力不足时为水中航行器补充动力；[0023]翼帆帆板用于利用风力推进水中航行器；翼帆帆板可折叠：下方连接着风帆转动机构；翼帆帆板上布置太阳能电池板，风速风向仪；太阳能电池板用于为水中航行器补充动力；风速风向仪用于测量风速；

[0024]下沉龙骨用于保持水中航行器的稳定性；下沉龙骨可折叠；下沉龙骨还连接着龙骨转动机构，从而能进行相应的转动，不仅能防止帆船横向漂移，以及起到降低重心提高稳性，还能起到舵的作用；

[0025]报警设备用于检测水中航行器的稳定性；报警设备包括控制装置、麦克风和扬声器。[0026]另外水中航行器上还要有定位装置和通信装置；定位装置用于确定水中航行器的

4

CN 1045366 A

说　明　书

3/4页

当前的位置，便于水中航行器的航行时的路径规划以及在意外情况下对水中航行器的回收；通信装置用于水中航行器与陆上或海上基站的信息传递，将水中航行器收集到的数据传送回基站进行处理。

[0027]除此以外水中航行器上还可装载相关的仪器设备，可用于海洋环境的探察、水面巡逻等任务。

[0028]实施例2：本实施例举例说明了自主水下航行器的工作方式，如下:[0029]水中航行器包括主船体、电池、十字型舵，螺旋桨、翼帆帆板、太阳能电池板、风向风速仪、下沉龙骨、报警设备；

[0030]主船体内部设有风帆转动机构以及相应的控制单元和处理器，通过连接外部的风速风向仪获得实时风况并发送给处理器，处理器再进行路径规划和计算，然后操作风帆转动机构对翼帆帆板进行调整，从而实现对水中航行器的航向控制；[0031]水中航行器的风帆采用刚性的翼帆，比起传统的软制布帆操控更简易，只需要较小的转帆力便可以实现的翼帆的控制；而且刚性翼的效率远远高于布帆，能更好的提高水中航行器的航行性能；另外翼帆为硬质结构，不会出现帆面破损的情况而导致水中航行器失去动力，更有利于水中航行器的长期工作。翼帆帆板可折叠：当水中航行器在水下航行时，翼帆帆板为收起状态，当水中航行器在水面航行时，翼帆帆板打开，根据风向进行风帆助航；

[0032]翼帆帆板上布置太阳能电池板，能对水中航行器的电池电量进行补充，从而提高水中航行器的的工作时间和航向距离；

[0033]下沉龙骨用于保持水中航行器的稳定性；下沉龙骨可折叠：当水中航行器在水下航行时，下沉龙骨为收起状态，当水中航行器在水面航行时，下沉龙骨伸展开，从而减轻水中航行器因翼帆帆板受风力产生的较大横摇，保持水中航行器的稳定性，防止水中航行器横向漂移；

[0034]水中航行器的底部设有一块固定的稳向板和压铅，因为深入水下的部分有压载块，所以当水中航行器向一边倾斜时，下方的下沉龙骨的重量会把船重新扶正，因此其重心较低，稳性较好；

[0035]报警设备用于检测水中航行器的稳定性；报警设备存储有水中航行器的总质量、翼帆帆板的表面积；报警设备和风向风速仪相连，可实时获取风速风向仪测量的风速以及水中航行器的速度；报警设备实时计算速率因子，速率因子用公式一进行计算：

[0036][0037]

公式一：

其中，ω为速率因子，取值是0～1之间的有理数；u为水中航行器的速度，v为风速风向仪测量的风速，取值为正实数，单位是米每秒；s是翼帆帆板的表面积，取值为正实数，单位是平方米；m是水中航行器的总质量，取值为正实数，单位是吨；k是调整系数，取值为正实数，由工作人员设动；

[0038]如果速率因子小于0.5，则报警设备鸣笛提醒工作人员改变航行速度，直至工作人员调整水中航行器的速度后使得速率因子不小于0.5，报警设备鸣笛停止鸣笛。[0039]本发明的有益成果为：本发明提供了一种支持风帆推进的水中航行器，包括主船体、电池、十字型舵，螺旋桨、翼帆帆板、太阳能电池板、风向风速仪、下沉龙骨、报警设备。这

5

CN 1045366 A

说　明　书

4/4页

种航行器的设计可借助风力航行，并且有效使用太阳能蓄电，可有效的解决电能使用快，电池储电不充足等问题，从而会在一定程度上提升自动化程度以及续航能力。采用刚性的翼帆帆板，操控简易，效率高，能提高航行性能，还能避免帆面破损时帆船失去动力，更有利于无人帆船的长期工作。。

[0040]以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。

6