横摇运动捕获推进装置及带有该装置的波浪能驱动无人艇的制作方法

本发明属于波浪能的捕获与转化和转换技术领域，具体涉及一种横摇运动捕获推进装置及带有该装置的波浪能驱动无人艇。

背景技术：

常规的海洋移动观测平台如科考船、无人艇、水下航行器等，一般采用燃油或电池作为动力源，由于所携带的能源有限，导致其续航力较短，执行长期海洋观测任务时则需要携带大量能源，本高昂、经济性较差，并且容易造成环境污染。由于海洋蕴含了极其丰富的绿色能源，人们对利用海洋能作为海洋运载器的能量源表现出浓厚的兴趣。

波浪驱动无人艇作为一种新型波浪能推进海洋无人航行器，具有超长航时、自主、零排放、经济性等突出优点。波浪驱动无人艇可以利用浸没在水中的翼板，将波浪能直接转化为驱动无人艇前向的推力。利用波浪能驱动的无人艇能长期、自主地执行环境监测、水文调查、气象预报、远程预警、通信中继等作业任务，这种优势使得波浪驱动无人艇在军民领域皆具有广泛的应用前景。在这种背景下，近十年来波浪驱动技术成为了国内外的一个研究热点。

专利号cn201810547861.x，专利名称为“一种利用波浪能的水面浮体横摇推进系统”，提供了一种利用船体横摇运动的动能来驱动螺旋桨推进的方法。

专利号cn201910037366.9，专利名称为“一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇”，提供了一种利用水翼驱动的波浪推进方法。

目前的波浪驱动技术大部分采用翼板推进，其缺陷在于对波浪波速以及浪向要求苛刻，在遭遇横浪时几乎丧失了推进力。而现有的横摇推进技术抵抗波浪干扰能力较弱，在波浪力作用下极易偏离计划航向，无法保持航向稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供充分利用横浪能量进行推进且提高波浪驱动无人艇抵抗横浪干扰能力的一种横摇运动捕获推进装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括液压舱和翼板摆动控制装置；所述的液压舱内部设有导轨，导轨两端分别固定在液压舱的顶面和底面，在导轨上安装有滑块，滑块将液压舱内部空间分割为不联通的上下两个区域；所述的翼板摆动控制装置包括液压缸和水翼安装板；所述的水翼安装板上设有转轴和限位板，在转轴两端安装有水翼，在限位板上安装有限位轴，限位轴两端分别与转轴两端的水翼连接；所述的液压缸内部设有活塞，活塞将液压缸内部空间分割为不联通的左右两个区域，活塞通过连杆与限位板连接；所述的液压舱和液压缸内部填充有液体，液压舱与液压缸之间通过导管连通。

本发明的目的还在于提供一种带有横摇运动捕获推进装置的波浪能驱动无人艇。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括两侧片体，两侧片体之间通过横梁连接，在两侧片体上均安装有横摇运动能量捕获与转化装置；在无人艇艏部下方两侧片体处均安装有转向舵；在无人艇艏部及艉部下方均安装有翼板摆动控制装置；所述的横摇运动能量捕获与转化装置包括液压舱；所述的液压舱内部设有导轨，导轨两端分别固定在液压舱的顶面和底面，在导轨上安装有滑块，滑块将液压舱内部空间分割为不联通的上下两个区域；所述的翼板摆动控制装置包括液压缸和水翼安装板；所述的水翼安装板上设有转轴和限位板，在转轴两端安装有水翼，在限位板上安装有限位轴，限位轴两端分别与转轴两端的水翼连接；所述的液压缸内部设有活塞，活塞将液压缸内部空间分割为不联通的左右两个区域，活塞通过连杆与限位板连接；所述的液压舱和液压缸内部填充有液体，液压舱与液压缸之间通过导管连通。

本发明的有益效果在于：

本发明的横摇运动捕获推进装置无额外能量损耗，有效利用了无人艇横摇运动的能量用于推进，增加了无人艇的续航性，实现了波浪能的高效利用，有效地延长了无人艇工作时间。本发明的横摇运动捕获推进装置利用波浪能，不需要消耗无人艇本身携带的能源，将无人艇本身携带的能源全部用于执行航行任务，波浪推进对海浪情况要求较小，理论上可适应全浪向海况。

附图说明

图1为波浪摆动水翼工作原理示意图。

图2为无人艇受力合成图。

图3为一种带有横摇运动捕获推进装置的波浪能驱动无人艇的示意图。

图4(a)为左侧横摇运动能量捕获与转化装置示意图。

图4(b)为右侧横摇运动能量捕获与转化装置示意图。

图5为翼板摆动控制装置机构示意图。

图6为液压缸剖视图。

图7为无人艇理想航迹图。

图8为无人艇横浪推进控制框图。

图9为右侧来浪条件下的阀门开闭情况说明表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供了一种横摇运动捕获推进装置及带有该装置的波浪能驱动无人艇。波浪驱动对波浪和翼板的相对速度要求较高，当无人艇艏向不是正迎浪状态下时(尤其是波浪前进方向与艏向角度在90°到135°时)，推进效率大大降低。因此，在横浪状态下寻找新的推进方式很有必要。本发明能在横浪环境中保持较高的推进效率并保持无人艇的方向稳定性。

一种横摇运动捕获和推进装置包括翼板、旋转轴、限位轴、横向推进舵以及水翼安装板内部的翼板摆动控制机构。翼板摆动控制机构由限位板、限位轴、活塞、连杆以及液压缸组成。本发明通过舵板攻角修正，借用舵板升力实现在横浪状态下的无人艇曲线式前进。船体上安装船体运动能量捕获与转化装置，该装置由导轨、滑块以及液压舱组成。主要步骤：1、无人艇遭遇横向波浪；2、舵板转向来浪一侧使无人艇艏向变化；3、船体横摇运动引起滑块沿导轨做升沉运动，滑块沿导轨上下运动导致液压舱上下两侧容积发生变化，实现能量捕获；4、系统控制液压导管开闭实现横摇能量转化为翼板摆动能量；5、船体跨越波峰或波谷时液压舱内滑块运动状态发生变化，控制系统对阀门开闭进行调节。本发明实现了波浪能的高效利用，有效地延长了无人艇工作时间。本发明的横摇运动捕获推进装置无额外能量损耗，有效利用了无人艇横摇运动的能量用于推进，增加了无人艇的续航性。由于装置利用波浪能，不需要消耗无人艇本身携带的能源，将无人艇本身携带的能源全部用于执行航行任务。波浪推进对海浪情况要求较小，理论上可适应全浪向海况。

一种带有横摇运动捕获推进装置的波浪能驱动无人艇，包括船体横梁2、船体横摇运动捕获与转化装置3、横向推进舵板4、水翼安装板5、波浪驱动翼板6、翼板摆动控制装置(图5)。波浪驱动翼板6安装在水翼安装板上，翼板摆动控制装置安装在无人艇宽度方向中部的水翼安装板5的内部。波浪驱动水翼板6总共4片，船艏艉各2片，沿船宽方向并列布置。观测设备以及配备的锂电池等能源设施在片体1内部。

横摇运动能量捕获与转化装置3包括液压舱7、导轨8、滑块9。翼板摆动控制装置包括液压导管11、12、13、14，水翼转轴、连杆、水翼限位轴、水翼限位板、活塞、液压缸。液压缸内的活塞两侧空间分别与导管11a、12a、13a、14a和导管11b、12b、13b、14b相连。横摇运动能量捕获与转化装置位于船体纵向重心处。艏部下方左右片体处均安装有转向舵。两侧片体上均装有船体横摇运动能量捕获与转化装置，装置位置位于船体纵向重心处。滑块可沿导轨上下运动。液压舱中滑块上下两侧相互独立，分别通过导管与翼板摆动控制装置内的液压缸连接。

翼板摆动控制装置包括液压导管11、12、13、14，水翼转轴15、连杆16、水翼限位轴17、水翼限位板18、活塞19、液压缸20。液压缸内的活塞两侧空间分别与导管11a、12a、13a、14a和导管11b、12b、13b、14b相连。活塞把液压缸分割为不联通的两个区域，均与左右片体内的横摇运动能量捕获装置液压舱的上下两侧通过导管联通。活塞与限位板通过连杆连接，活塞在液压缸内做往复运动时带动限位板运动实现翼板转动的主动控制。翼板摆动控制装置中液压缸两侧被活塞分隔为相互独立空间。横摇运动能量捕获与转化装置与翼板摆动控制装置液压缸通过导管相连，共8根，每根导管均有独立阀门控制开捕获与转化。

船体受到横向波浪作用时艏部横向推进舵板4打舵使艏向偏向来浪方向，此时船体依旧进行横摇运动。能量捕获与转化装置中的滑块由于惯性作用沿导轨运动，液压舱容积产生变化。液体沿导管进出液压缸推动活塞运动，活塞推动限位板使水翼沿旋转轴转动的角度变大，增强水翼在横浪下的推进性能。

横摇运动捕获和推进装置控制方法，包括以下步骤(以船体右侧来浪为例)：

(1)当初始遭遇右侧横浪时，船体受到波浪作用，艏部的横向推进舵板打舵使船向右转向(小于90°)，此时船体依旧进行横摇运动。能量捕获与转化装置中的滑块由于惯性作用沿导轨运动，液压舱容积产生变化。

(2)控制系统判断船体此时处于上波面或下波面。

(3)以上波面为例。滑块相对液压舱向下运动，船体发生垂荡运动。翼板受到上方海水作用发生转动，但由于非正迎浪状态转角较小。

(4)控制系统控制导管阀门开捕获与转化。舱中被压缩的一侧(下半部分)与活塞后方的液压缸空间连通，另一侧与活塞前方空间连通。此时液压变化引起活塞向前运动增大翼板向下的转角。增强推进性能。

(5)当船体跨过波峰来到下波面时，翼板反向转动滑块相对液压舱向上运动。控制系统控制导管阀门使舱中被压缩的一侧(上半部分)与活塞后方的液压缸空间连通，另一侧与活塞前方空间连通。此时液压变化引起活塞向前运动增大翼板向上的转角(每当船跨过波峰与波谷时阀门开闭状态就进行一次变化，本发明以跨过波峰为例)。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、装置无额外能量损耗。本发明有效利用了无人艇横摇运动的能量用于推进。

2、增加航行器的续航性。由于装置利用波浪能，不需要消耗无人艇本身携带的能源，将无人艇本身携带的能源全部用于执行航行作业任务。

3、波浪推进对海浪波高与浪向要求较小，理论上可适应全浪向海况。

双体无人艇在海洋波浪中捕获波浪能的原理为：船体在海洋波浪的作用下会做升沉和纵摇运动，通过水翼安装板使得摆动水翼做也升沉运动。摆动水翼开始做升沉运动时，在上升过程的中，水会对摆动水翼表面产生一个垂直向下的力，这个力会产生一个绕水翼旋转轴的力矩，水翼受力矩作用向下转动产生一个攻角，而后水作用在摆动水翼表面的垂直向下的力会产生一个水平向前的分力，即推动船体前进的推力；同理，水翼在下降过程中，水会对摆动水翼表面产生一个垂直向上的力，该力产生绕水翼旋转轴的力矩，水翼受力矩作用向上转动产生攻角，而后水作用在水翼表面的垂直向上的力会再次产生一个水平向前的推力，继续推动船体航行。因此，水翼升沉运动幅度越大、升沉运动越剧烈，其产生的推力就越大。而舵板则利用此力矩实现无人艇的艏向变化。但是在遭遇横浪时无人艇纵摇运动受船宽影响幅值较小，升沉运动幅值较小，因此水翼转动角度不足以产生可观的推力以驱动船体前进。

船体在遭遇右侧横浪时，船艏两侧下方的舵板打舵，调整成与迎浪方向成一定攻角的状态。舵板产生的力矩使船体艏向改变，向右侧偏移。此时舵板收到来流作用产生升力，可分解为沿船艏方向的推力与沿船宽方向与波浪前进方向反向的力。保持舵板攻角的情况下，横摇运动能量用于翼板摆动，产生沿船长方向指向船艏的推力。舵板受到的升力指向左前方。升力、水翼产生的推力、航行阻力合成后的合力指向前方。

船体横摇运动能量捕获与转化装置3中的滑块9在船体横摇运动时沿导轨8做升沉运动引起液压舱上下两侧容积变化。每个液压舱的上下两部分均与液压缸20中活塞19两侧连通。

结合图9，远洋海面上的波浪波长较大，此处以大于2倍的船宽b的波长为例说明情况。波长大于2倍船宽时因此左右两侧能量捕获与转化装置内的滑块运动状态一致。

以左侧片体上的能量捕获与转化装置剖视图为例，导管10通过阀门后分为两对导管11和12(右侧能量捕获与转化装置分出导管13和14)。每根导管上均安装有独立阀门，通过控制系统控制每对导管上的阀门开捕获与转化以达到船体两侧液压舱7中的上下侧都能与活塞19两侧相通。当船体为近似正迎浪状态下时船体纵摇运动较大，不需要翼板摆动控制装置辅助翼板摆动，此时控制系统同时打开所有气阀，翼板6进行自由摆动。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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