一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船

技术领域

本发明涉及无人船领域，具体涉及一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船。

背景技术

本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

近年来，随着生态文明的发展，水域空间的环境监测越来越被大众所关注；同时，随着机器人技术的发展，无人船作为监测设备的载体也逐步进入了水域空间的环境监测领域，搭载检测设备，例如水质五常、重金属、抗生素、富营养物等检测传感器，实现在水域空间的动态多点监测，弥补了以往水域定点取样分析结果的片面性以及不准确性，进一步节省了人力物力。

现有的无人船通常使用可充电电池，太阳能作为驱动能源，实现远端操控和一定智能级别的自主巡航，担任水面水质数据收集，水面监测，水面通讯等任务。

文献1：中国发明专利CN2020100860427公开了一种用于海洋环境观测的无人帆船，其通过风帆将自然环境中的风能转化为航行驱动力，通过太阳能电池板将太阳能转化为电能供给控制器、传感器、电机等使用，可以实现能源的自给自足，完成长时间、大范围的海气界面环境要素观测；但是仅仅利用风能和太阳能，往往不足以满足长时间作业的要求；例如在无风情况下，太阳能转化的电力仅供传感器和通讯设备的使用，无法促使帆船按照预定目标形式，只能随波逐流，大大增加了完成航行任务的难度；同样地，在风力微弱的情况下，即波浪阻力大于风力的情况下，此无人船也难以正常行驶。

文献2：中国发明专利CN2021100411719与实用新型专利CN202120505623X都公开提供了一种湖泊水域下的风光互补型无人帆船，其在借助风光源动力的同时，在船尾部添加了驱动装置，通过蓄电池供电，驱动螺旋桨推进船体；但是其也无法保证在无风和太阳能微弱的环境下正常工作，例如湖泊冬季无风的情况；同时，此类无人船也很难适应具有湖浪的大型湖泊，湖浪会严重影响其行驶的方向。

文献3：中国实用新型专利CN2021213997589公开了一种波浪能滑翔器布放装置，包括滑翔器浮体和牵引机，其将波浪能直接转化为前进推力，利用光伏发电给传感通讯电子设备供电，几乎可以实现无限续航的海洋自主航行器；但是波浪能滑翔器只适合在波浪能充足的水域使用，目前已公开的最大行驶速度只有3节左右，远远达不到无人帆船的一般行驶速度。

大型水域空间监控需要可以长期作业、远距离巡航的水面无人船，不仅需要其在能源结构上融合多源动力，而且需要其在作业过程中应对各类天气环境，兼顾各种周边自然条件，多源动力互补协调，以完成长期的作业任务。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于公布一种基于波浪能、太阳能与风能的混合动力无人帆船，可搭载相关水质检测传感器以及摄像监控设备，用于大型水域空间的移动巡航监控与水质检测；其可以通过风能、波浪能、光能的互补协调，在能源结构上实现多源动力的融合，并在作业过程中有效地应对各类天气环境与不同的周边自然条件，以完成长期的作业任务。

实现本发明目的技术解决方案为：一种基于波浪能、太阳能与风能的混合动力无人帆船，包括水上船体部分、水下脐带、水下滑翔器；所述的水上船体部分包括风能单元、太阳能单元、水上控制单元；所述的水下滑翔器包括水下结构单元、水下控制单元、水下运动单元。

进一步地，所述的水上船体部分是帆船型船体结构，其风能单元包括船帆、桅杆与桅杆电机与风向传感器；太阳能单元包括太阳能电池板、蓄电池与电池管理芯片；水上控制单元包括尾舵电机、水下传感器模块、嵌入式微处理器与通讯模块。

进一步地，所述的船帆由桅杆支撑，桅杆由桅杆电机控制转向；桅杆电机在转动时，将根据风向传感器反馈的信息，对桅杆进行转向控制，以适应不同的风向，借助风能促使无人帆船向目标行驶。

进一步地，所述的太阳能单元被安置于船舱内部的控制箱内，控制箱具备防水的条件；所述的蓄电池通过电池管理芯片，为本发明中的无人帆船的所有传感器、电机、舵机提供电力；当电力不足时，电池管理芯片将根据任务等级，对用电装置进行逐级断电，例如在无风并且太阳能不充足的情况下切断传感器供电、只对水下滑翔器供电，借助波浪能完成行驶或定点巡航，等到太阳能充足时，再次开启所有用电装置的用电。

进一步地，所述水上控制单元被安置于船舱内部的控制箱内，控制箱具备防水的条件；进一步地，所述的嵌入式微处理器分析处理风向传感器的反馈信息，通过计算分析，发送指令到尾舵电机与桅杆电机，通过对船帆的转向控制以及对尾舵的转向控制，协调无人船的前进方向以及转向；所述水下传感器模块被安置在船底的前后两个透明球箱内，用于搭载各类水质检测传感器以及水下摄像头；嵌入式微处理器通过通讯模块将自身采集到的信息发送到指挥中心。

进一步地，所述水下脐带连接水上船体部分和水下滑翔器，包括信号的传输与电力的传输；蓄电池通过水下脐带中的电线将电能传递到水下滑翔器；嵌入式微处理器也通过水下脐带中的数据传输线将指令传递到水下滑翔器；同时，波浪能滑翔器也通过水下脐带中的数据传输线将采集到的数据传递到嵌入式微处理器。

进一步地，所述水下结构单元包括躯干、稳向板与过水孔，组成流线型的水下结构体；躯干内部中空，安置水下控制单元的舵机组、单片机下位机以及碰撞传感器；所述的碰撞传感器安装在躯干头部，当水下滑翔器撞击到水下障碍物时，碰撞传感器将发送信号到单片机下位机以及水上船体部分的嵌入式微处理器，水上与水下的控制系统将协调改变方向，绕过障碍物。

进一步地，所述水下运动单元包括背鳍、胸鳍、尾鳍与尾舵；背鳍与尾鳍固定在躯干上，起到分水以及稳定水下滑翔器姿态的作用；胸鳍即是水下滑翔器的桨叶，由水下控制单元中的单片机下位机通过舵机组控制：当水面船体部分受到波浪上升的波浪力作用，随着波浪进行上升运动，此时通过水下脐带拉动可实现向上运动。水下滑翔器在向上运动过程中，上面的桨叶在波浪力的作用下向后下方转动，在水下脐带拉力和桨叶受力的作用下产生了向前运动的力，通过水下脐带将力的传递给水面船体部分，带动水面船体部分向前运动，产生水平驱动力是由于转动了一定角度的桨叶，因此在上升的运动过程当中，整体系统将向上的波浪能转换为自身的动能，推动整体系统向前运动；当水面船体部分处于波浪的下降过程中式，水面船体部分和水下滑翔器都在自身重力的作用下随着波浪下沉，水下滑翔器在自身重力以及密度的作用下，下降速度要比水面船体部分快，因此使得水下脐带保持紧绷状态，水下滑翔体在下降过程中，其上的桨叶在水动力的作用下向前上方转动，由于重力和水动力共同作用有一个前向的推力产生，带动水面船体部分前进。所以当遇到波谷时，整体系统能够将向下运动波浪的波浪能转换为自身前进动能，推动整体系统向前运动；尾舵的转向亦由单片机下位机进行控制，配合胸鳍，保障水下滑翔器的行驶方向与姿态稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的单元模块结构图。

图2是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的整体结构示意图。

图3是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的水上船体部分结构侧视图。

图4是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的水上船体部分结构上视图。

图5是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的水上船体部分结构下视图。

图6是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的水上船体部分结构后视图。

图7是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的水下滑翔器上视图。

图8是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的水下滑翔器侧视图。

图9是本发明一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船的水下滑翔器正视图。

附图标号：1-水上船体部分；2-水下脐带；3-水下波浪能滑翔器；101-船帆；102-桅杆；103-桅杆电机；104-太阳能电池板；105-控制箱；106-尾舵连杆；107-尾舵电机；108-水下传感器球后箱；109-尾舵；110-帆船型船体；111-船体稳向板；112-水下传感器球前箱；113-风向传感器；201-水下脐带上链接位；202-水下脐带下链接位；301-水下滑翔器躯干；302-水下滑翔器胸鳍；303-水下滑翔器稳向板；304-水下滑翔器过水孔；305-水下滑翔器背鳍；306-水下滑翔器尾鳍；307-水下滑翔器尾舵。

实施方式

以下结合附图，详细说明本发明的实施方案。下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合图1-9，本发明的一种融合波浪能、太阳能与风能驱动的混合动力无人帆船，包括水上船体部分1、水下脐带2、水下滑翔器3；所述的水上船体部分包括风能单元、太阳能单元、水上控制单元；所述的水下滑翔器包括水下结构单元、水下控制单元、水下运动单元。

优选地，所述的水上船体部分1是帆船型船体110结构，其风能单元包括船帆101、桅杆102与桅杆电机103与风向传感器113；太阳能单元包括太阳能电池板104、蓄电池与电池管理芯片；水上控制单元包括尾舵电机107、水下传感器模块108、嵌入式微处理器与通讯模块；蓄电池、电池管理芯片、嵌入式微处理器与通讯模块都被安置在控制箱105内，控制箱105具备防水的条件。

优选地，所述的船帆101由桅杆102支撑，桅杆102由桅杆电机103控制转向；桅杆电机103在转动时，将根据风向传感器113反馈的信息，对桅杆102进行转向控制，通过船帆101与风向形成的夹角合适的角度，以适应不同的风向，借助风能，依据伯努利原理并通过闭环反馈控制，促使无人帆船向目标行驶；船体下方设置船体稳向板111，以防止无人帆船被吹翻。

优选地，所述的蓄电池通过电池管理芯片，为本发明中的无人帆船的所有传感器、电机、舵机提供电力；当电力不足时，电池管理芯片将根据任务等级，对用电装置进行逐级断电，例如在无风并且太阳能不充足的情况下切断传感器供电、只对水下滑翔器供电，借助波浪能完成行驶或定点巡航，等到太阳能充足时，再次开启所有用电装置的用电，并对船帆转向进行主动控制。

优选地，所述的嵌入式微处理器（stm32f103系列）但是不局限于该控制处理器，该模块分析处理风向传感器113的反馈信息，经过其计算分析，通过UART串口协议发送指令到尾舵电机107与桅杆电机103，该嵌入式微处理器计算后得出船需要何种前进方向，通过该微控制器输出PWM实现对船帆101的转向控制以及对尾舵109的转向控制，协调无人船的前进方向以及转向；所述水下传感器模块被安置在船底的前后两个球箱内，分别为水下传感器球后箱108与水下传感器球前箱112，用于搭载各类水质检测传感器以及水下摄像头，传感器球箱是可以灵活拆卸的，一般根据水域监测的需求与传感器的数量对传感器球箱装卸；嵌入式微处理器通过通讯模块将自身采集到的信息发送到指挥中心；优选地，在4G/5G覆盖区域作业时，通讯模块可采用4G/5G通讯装置，在移动通讯信号不覆盖的区域作业，可采用其他无线电通讯装置。

优选地，所述水下脐带2通过水下脐带上链接位201与水下脐带下链接位202，将水上船体部分1和水下滑翔器3连接在一起，同时水下脐带2内部布置电线与数据线，负责信号的传输与电力的传输；蓄电池通过水下脐带2中的电线将电能传递到水下滑翔器3；嵌入式微处理器也通过水下脐带2中的数据传输线将指令传递到水下滑翔器3；同时，波浪能滑翔器3也通过水下脐2带中的数据传输线将采集到的数据传递到嵌入式微处理器。

优选地，所述水下结构单元包括水下滑翔器躯干301、水下滑翔器稳向板303与水下滑翔器过水孔304，组成流线型的水下结构体；躯干内部中空，安置水下控制单元的舵机组、单片机下位机以及碰撞传感器；所述的碰撞传感器安装在躯干头部，当水下滑翔器撞击到水下障碍物时，碰撞传感器将发送信号到单片机下位机以及水上船体部分的嵌入式微处理器，水上与水下的控制系统将协调改变方向，绕过障碍物。

优选地，所述水下运动单元包括水下滑翔器背鳍305、水下滑翔器胸鳍302、水下滑翔器尾鳍306与水下滑翔器尾舵307；背鳍与尾鳍固定在躯干上，起到分水、稳向以及稳定水下滑翔器姿态的作用；胸鳍即是水下滑翔器的桨叶，由水下控制单元的舵机组控制：当水面船体部分受到波浪上升的波浪力作用，随着波浪进行上升运动，此时通过水下脐带拉动可实现向上运动。水下滑翔器在向上运动过程中，上面的桨叶在波浪力的作用下向后下方转动，在水下脐带拉力和桨叶受力的作用下产生了向前运动的力，通过水下脐带将力的传递给水面船体部分，带动水面船体部分向前运动，产生水平驱动力是由于转动了一定角度的桨叶，因此在上升的运动过程当中，整体系统将向上的波浪能转换为自身的动能，推动整体系统向前运动；当水面船体部分处于波浪的下降过程中式，水面船体部分和水下滑翔器都在自身重力得作用下随着波浪下沉，水下滑翔器在自身重力以及密度的作用下，下降速度要比水面船体部分快，因此使得水下脐带保持紧绷状态，水下滑翔体在下降过程中，其上的桨叶在水动力的作用下向前上方转动，由于重力和水动力共同作用有一个前向的推力产生，带动水面船体部分前进。所以当遇到波谷时，整体系统能够将向下运动波浪的波浪能转换为自身前进动能，推动整体系统向前运动；尾舵的转向亦由单片机下位机进行控制，配合胸鳍，保障水下滑翔器的行驶方向与姿态稳定。