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CN114919703B - 一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇及其设计方法 - Google Patents

一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇及其设计方法 Download PDF

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CN114919703B
CN114919703B CN202210455064.5A CN202210455064A CN114919703B CN 114919703 B CN114919703 B CN 114919703B CN 202210455064 A CN202210455064 A CN 202210455064A CN 114919703 B CN114919703 B CN 114919703B
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Abstract

本发明公开了一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇，包括四体无人艇艇体、柔性减摇助推鳍装置、综合环境监测系统、推进器、能源舱和控制系统。四体无人艇艇体由上艇体以及四个左右对称分布的浮体组成，浮体以及支柱两侧布置有柔性助推鳍装置，四体无人艇艇体舱室及上方主甲板布置有综合环境监测系统，可以实现环境实时监测、数据传输、海水取样以及垃圾打捞等任务；四个潜体尾部各布置有一个推进器，大大提高了无人艇快速性和操纵性。并提供了其设计方法。本发明在提高了减摇效果的同时提供了附加推力，提高了其快速性、操纵性和适航性，可以实现环境数据实时监测、海水取样以及垃圾打捞等功能。

Description

一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇及其设计方法
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，尤其是涉及一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇及其设计方法。
背景技术
随着科学和技术的发展，人类开发海洋资源的规模越来越大，对海洋的依赖程度越来越高，海洋现在已成为人类生产活动非常频繁的区域。海洋事业的发展也带来一系列的问题，海洋环境亦受到人类活动的影响和污染。无人艇的使用已经越来越多，其具有智能巡航、性能综合、运行高效等优点，但是目前来说，具有环境监测功能的无人艇功能比较单一，大部分只能执行单一的任务，比较浪费资源。四体无人艇具有比较大的甲板面积，是一个比较好的选择。
船舶在航行过程中遇到风浪时，会发生横向摇摆的情况，船舶的横向摇摆会降低船舶的适航性，损坏船体结构，影响设备、仪表的正常工作，使船舶因螺旋浆工作效率下降和阻力增加而失速，还会导致货物移位或撞击损坏，也会使乘客昏晕，引起旅客晕船，同时在高海况作业时会严重影响无人艇的工作效率。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇，减小横纵摇，提供附加推力，能够实现实时数据监测、海水取样和垃圾打捞等功能。并提供了其设计方法。
技术方案：一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇，包括四体无人艇艇体、柔性减摇助推鳍装置、综合环境监测系统、推进器、能源舱和控制系统，四体无人艇艇体包括上层建筑、浮体、连接甲板，浮体设有四个，在连接甲板呈2×2阵列间隔分布并分别与连接甲板底部连接，每个浮体上间隔安装有多个柔性减摇助推鳍装置，每个浮体下部的尾端分别安装有一个推进器，上层建筑与连接甲板的顶部连接，综合环境监测系统、能源舱、控制系统分别安装于连接甲板上，柔性减摇助推鳍装置、综合环境监测系统、推进器、能源舱分别与控制系统通过数据线缆连通。
进一步的，柔性减摇助推鳍装置包括减摇助推鳍本体、传动机构、转动轴一、轴承安装座、减速器、驱动电机二、自由翼、转动轴二，减摇助推鳍本体设有两个，在浮体的相对两侧对称设置并通过传动机构连接，传动机构与转动轴一连接，转动轴一与减速器的输出端连接并通过轴承安装座安装于浮体上，驱动电机二的输出端与减速器的输入端连接，自由翼与减摇助推鳍本体的尾端活动连接；
传动机构包括两个齿轮副，两个齿轮副分别与对应的一个减摇助推鳍本体连接，齿轮副包括一对锥型齿、转轴三、直齿轮，一对锥型齿呈直角啮合，其中一个锥型齿与直齿轮通过转轴三连接，另一个锥型齿通过转轴二与减摇助推鳍本体连接，转动轴一上对应安装有与直齿轮啮合的转动齿轮。
进一步的，浮体包括支柱、潜体，支柱的上端与连接甲板的底面连接，潜体水平安装于支柱下端，支柱、潜体上分别安装有柔性减摇助推鳍装置，推进器安装于潜体的尾部。
最佳的，柔性减摇助推鳍装置在潜体上前后间隔设有两个，前端的柔性减摇助推鳍装置安装于距潜体首部1/7～1/6处，后端的柔性减摇助推鳍装置安装于距潜体尾部1/5～1/4处，柔性减摇助推鳍装置在支柱上安装有一个，与潜体的间距为支柱高度的1/4～1/3处，柔性减摇助推鳍装置翼展为潜体长度的1/6～1/5，潜体的长度为四体无人艇艇体总长度的1/6～1/5倍，潜体的最大宽度为潜体长度的1/8～1/6倍。
最佳的，支柱为对称翼型，支柱包括支柱主体以及设置于支柱主体尾端的柔性体，柔性体在支柱尾部1/5～1/4处，高度为支柱高度的9/10，柔性体包括转动轴、柔性部分、驱动电机一，柔性部分通过转动轴与支柱主体连接，驱动电机一安装于支柱主体上并与转动轴连接，潜体、连接甲板分别与支柱主体连接。
最佳的，支柱的形状为对称翼型并采用单支柱的结构形式，支柱的长度为潜体长度的1/2～3/4倍，支柱的宽度为潜体宽度的1/7～1/5，支柱的高度为支柱长度的1.5～2.5倍，前端的两个支柱位于四体无人艇艇体艏段向后1/7～1/5的位置，后端的两个支柱位于四体无人艇艇体尾段向前1/7～1/5的位置处，两侧浮体以四体无人艇艇体中纵剖面为对称面，浮体之间的间距为四体无人艇艇体宽的1/2～5/6。
进一步的，四体无人艇艇体总长度为40～60m，长宽比为1.5～2.5，设计航速为23～40km，四体无人艇艇体为流线型，浮体的首部呈半椭球型，尾部为向尾段方向逐渐平顺收缩的锥体。
进一步的，综合环境监测系统包括风速传感器、风向传感器、无人机系统、海水取样装置、样品存储装置、机械臂、预警装置、水上水下摄像头，风速传感器和风向传感器安装于上层建筑的首部，无人机系统安装于四体无人艇艇体的尾部中央位置，海水取样装置安装于四体无人艇艇体的一侧后半部分，机械臂在四体无人艇艇体尾部间隔设有两个，预警装置安装于四体无人艇艇体的中间部分，对称间隔设有两个，水上水下摄像头安装于四体无人艇艇体的一侧，风速传感器、风向传感器与控制系统信号连接，海水取样装置与样品存储装置连接，存储装置位于上层建筑甲板舱内。
进一步的，控制系统包括主控制器、以及分别与主控制器信号连接的微型惯性测量仪、DGPS、高精度三维电子罗盘、高精度激光测距仪、数传电台、通讯系统，主控制器采用STM32单片机控制器以及核心处理器，控制系统安装于上层建筑首端。
一种上述的具有局部柔性体的环境监测四体无人艇的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：设计变量：
设无人艇的主艇体长为L，潜体长度Lm，支柱长度La，支柱高度H，常规细长型侧体长度L1，宽度B1，四体艇体方形系数Cb，吃水T，型深D，设计航速Vs，螺旋桨直径Dp，螺旋桨盘面比Aeo，设计航速下的螺旋桨转速N，浮心纵向位置Lcb，重心纵向位置Xg，盘面比Aeo，螺距比PDP，减摇助推鳍弦长L2，减摇助推鳍翼展L3，支柱尾部柔性体长L4，自由翼翼展L5，自由翼弦长L6，柔性翼面面积A1；
步骤二：建立目标函数：
考虑无人艇采用了柔性减摇助推鳍装置，将柔性翼面产生的附加推力考虑到整个推力中，选用海军系数作为快速性目标函数，并设置目标函数值越大越好，因此：
式中：Δ——排水量；VS——设计航速；Rt——总阻力；
对于无人艇的操纵性，回转性指数K和稳定性衡准数C常作为检验四体艇操纵性优良的指标，将无因次化的K'和C'采用幂指数乘积的形式组合，则操纵性目标函数h(x2)为：
式中：0＜gi＜1，g1*g2＝1；
对于环境监测方面，主要考虑有风速传感器的功能性θ1、风向传感器的功能性θ2、无人机系统的功能性θ3、海水取样装置的功能性θ4、样品存储装置的功能性θ5、机械臂的功能性θ6、预警装置的功能性θ7和水上水下摄像头的功能性这些功能性与强度指标都是越大越好，构建f3(x)作为功能性目标函数，并且其值越大为性能最优，其表达式为：
式中：0＜εi＜1，ε1*ε2*ε3*ε4*ε5*ε6*ε7*ε8＝1；
在无人艇横摇运动中，横摇惯性半径作为判断无人艇横摇优劣的关键参数之一,将其作为无人艇横摇性能的判断标准十分合适，根据贝尔斯统计大量船舶耐波性提出的船舶耐波性指数,其不仅可以用来判断船舶耐波性的优劣，而且还可以作为选择较佳耐波性船型的标准，可以采用横摇、纵摇和垂荡有义值函数幂指数积的形式作为耐波性的目标函数；
式中：R代表四体无人艇的横摇有义值函数；P代表四体无人艇的纵摇有义值函数；H表四体无人艇的垂荡有义值函数；
综合以上四个方面构建总目标函数H(x)，表达式如下：
式中：
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
1：本发明在艇型方面采用采用小水线面四体无人艇，它具有较大的甲板面积，可以放置更多的仪器设备，为综合环境监测系统提供大的平台，小水线面四体无人艇艇型设计使得该艇航行的兴波阻力和汹涛阻力大幅下降，推进效率大幅提升，艇的快速性能得到明显改善。
2：本发明针对无人艇航行以及作业状态时容易受到水流风浪干扰，会发生横向摇摆的情况，船舶的横向摇摆会降低船舶的适航性，损坏船体结构，影响设备、仪表的正常工作，采用了柔性减摇助推鳍装置以及支柱尾部设计成柔性体的方法，既可以有效的减小横摇，又可以提供附加推力，进一步减少了能源消耗，提高了续航能力。
3：本发明的艇型参数确定采用综合优化数学模型的设计方法，兼顾无人艇多种性能和主要功能系统综合最优的设计并制造，因此，该类艇型与现有类似无人艇比较不但具有最优的综合性能，还有最优的系统功能，即：具有最优的适航性和工作效费比。
4：本发明针对海洋环境监测艇的功能单一、效率不高的情况，发明了具有风速传感器、风向传感器、无人机系统、海水取样装置、样品存储装置机械臂、预警装置、水上水下摄像头的综合环境监测系统，其可以从多方位、多种作业形式为环境监测人员提供可靠的数据，并且可以提取样本供检验，针对污染情况可以进行初步清理作业，提高了环境监测的效率和数据的可靠性。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图；
图2为四体无人艇艇体的侧视图；
图3为柔性减摇助推鳍装置的结构剖面示意图；
图4为潜体部分的剖面示意图；
图5为支柱部分柔性体剖面示意图；
图6为柔性减摇助推鳍传动机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇，如图1～6所示，包括四体无人艇艇体1、柔性减摇助推鳍装置2、综合环境监测系统3、推进器4-1、能源舱4-2、控制系统5，推进器4-1为无轴可转向推进器。
四体无人艇艇体1包括上层建筑1-1、四个浮体和连接甲板1-4组成，其中浮体包括尾部为柔性体的支柱1-2和潜体1-3，四个浮体位于上层建筑1-1下方，呈2×2矩阵型间隔对称分布，左右两个浮体间距为上艇体1-1宽的1/4，浮体与上层建筑1-1通过连接甲板1-4连接，柔性减摇助推鳍装置2安装于潜体1-3和支柱1-2上，且潜体1-3上前后间隔设有两个，支柱1-2上设有一个，四个潜体1-3的尾部分别安装有一个推进器4-1，支柱1-2尾部安装有柔性体，综合环境监测系统3、能源舱4-2、控制系统5分别安装于连接甲板1-4上。
四体无人艇艇体1总长度为40～60m，长宽比为1.5～2.5，设计航速为23～40kn，设计排水量300～400t，所述四体无人艇艇体1设计成对称翼型，可以减小阻力，四个浮体的首部呈半椭球型或近似半椭球型，尾部为向尾段方向逐渐平顺收缩的锥体，支柱1-2的形状为对称翼型并采用单支柱的结构形式，支柱1-2的尾部1/5～1/4的部分为柔性体，潜体1-3的长度为四体无人艇艇体1总长度的1/6～1/5倍，潜体1-3的最大宽度为潜体1-3长度的1/8～1/6倍，支柱1-2的长度为潜体1-3长度的1/2～3/4倍，支柱1-2的宽度为潜体1-3最大宽度的1/7～1/5，支柱1-2的高度为支柱1-2长度的1.5～2.5倍，前端的两个支柱1-2位于艇体艏段向后1/7～1/5的位置，两个浮体以中纵剖面为对称面，浮体之间的间距为四体无人艇艇体1宽的1/2～5/6，后端的两个浮体位于四体无人艇艇体1尾段向前1/7～1/5的位置处，浮体间距同前端的两个浮体一致。
支柱1-2为对称翼型的NACA系列翼型，包括支柱主体和柔性体，柔性体高度为支柱主体高度的9/10,柔性体包括转动轴1-5、柔性部分1-6、驱动电机一1-7，转动轴1-5和驱动电机一1-7组成柔性部分1-6的转动控制机构。柔性部分1-6与支柱主体通过转动轴1-5和刚性结构连接，驱动电机一1-7安装于支柱主体靠近柔性部分1-6处并与转动轴1-5连接。柔性部分1-6采用柔性较好的材料，连接处采用刚性较好的材料。无人艇在自由航行时，尾部柔性部分1-6处于自由状态，随着船体的运动受到海流影响时在不借助船体的力量时可以自由摆动，可以有效的减少横纵摇并同时为无人艇提供前进的动力。当无人艇做回转运动时，可以通过控制系统5驱动驱动电机一1-7提供动力，通过转动轴1-5带动柔性部分1-6转动到某一个特定角度，有利于提高无人艇的操纵性和适航性。
柔性减摇助推鳍装置2包括减摇助推鳍本体2-1、传动机构2-2、转动轴一2-3、轴承安装座2-4、减速器2-5、驱动电机二2-6、自由翼2-7、转动轴二2-8，减摇助推鳍本体2-1设有两个，在浮体的相对两侧对称设置并通过传动机构2-2连接，传动机构与转动轴一2-3连接，转动轴一2-3与减速器2-5的输出端连接并通过轴承安装座2-4安装于浮体上，驱动电机二2-6的输出端与减速器2-5的输入端连接，自由翼2-7与减摇助推鳍本体2-1的尾端活动连接；
传动机构2-2包括两个齿轮副，两个齿轮副分别与对应的一个减摇助推鳍本2-1连接，齿轮副包括一对锥型齿2-9、转轴三2-10、直齿轮2-11，一对锥型齿2-9呈直角啮合，其中一个锥型齿2-9与直齿轮2-11通过转轴三2-10连接，另一个锥型齿2-9通过转轴二2-8与减摇助推鳍本体2-1连接，转动轴一2-3上对应安装有与直齿轮2-11啮合的转动齿轮。减摇助推鳍本体2-1采用近似(头部线型及厚度比随所设计航速变化)NACA0012翼型，自由翼2-7通过实验所得可以转动的角度为0°～26°之间最优。
柔性减摇助推鳍装置2安装于潜体1-3两侧，前后各一个，前端的一对减摇助推鳍本体2-1安装于距潜体1-3首部1/7～1/6处，翼展为潜体1-3长度的1/6～1/5，后端的一对减摇助推鳍本体2-1位于潜体1-3尾部1/5～1/4处，翼展为潜体1-3长度的1/6～1/5，支柱1-2上也安装一个柔性减摇助推鳍装置2，与潜体1-3的距离为支柱1-2高度的1/4～1/3处，翼展与上述一致。当无人艇处于航行状态时，12个柔性减摇助推鳍装置2在控制系统5的指令控制下有序的运动，可以减小船体的横纵摇，并且可以提供一定的附加推力。
当无人艇在高海况情况下航信以及作业时，柔性减摇助推鳍装置2开始工作，首先是驱动电机二2-6开始运转，带动转轴旋转，转轴将动力传输到减速器2-5，减速器根据测得水流流速通过齿轮系将转动速度改变到合适的范围，再通过转动轴一2-3将动力传输到传动机构2-2，传动机构2-2由齿轮副组成，由转动轴一2-3带动直齿轮2-11转动，转动轴三2-10带动锥型齿2-9转动，锥型齿2-9通过转动轴2-8带动减摇助推鳍本体2-1围绕转轴2-8上下摆动，通过减摇助推鳍本体2-1的摆动可以将波浪引起的横纵摇抵消掉一部分，同时由于助推鳍的摆动会产生向后的力，从而能够产生一定的附加推力。在海况较好以及无人艇做回转运动的情况下，减摇助推鳍本体2-1同时工作并且可以保持在一定的角度，有利于提高无人艇的适航性。
综合环境监测系统3包括风速传感器3-1、风向传感器3-2、无人机系统3-3、海水取样装置3-4、样品存储装置3-5机械臂3-6、预警装置3-7、水上水下摄像头3-8，风速传感器3-1和风向传感器3-2安装于上层建筑1-1的首部，无人机系统3-3安装于四体无人艇艇体1的尾部中央位置，海水取样装置3-4安装于四体无人艇艇体1的一侧后半部分，机械臂3-6在四体无人艇艇体1尾部间隔设有两个，预警装置3-7安装于四体无人艇艇体1的中间部分，对称间隔设有两个，水上水下摄像头3-8安装于四体无人艇艇体1的一侧，风速传感器3-1、风向传感器3-2与控制系统5信号连接，海水取样装置3-4与样品存储装置3-5连接。
风速传感器3-1和风向传感器3-2负责测量艇周围环境的风速和风向信息，所测到的数据信息传入控制系统中5，无人机系统3-3可以为无人艇提供更宽阔的视野并且可以监测一定的数据，海空协同提高工作效率。海水取样装置3-4通过抽水泵可以抽取一定的海水，放入样品存储装置3-5中储存，为工作人员后期的研究工作提供样品资源。存储装置3-5位于上艇体1-1甲板舱内。当遇到有漂浮垃圾时，机械臂3-6通过自身识别系统可以自主的将垃圾打捞，若发现严重的的污染事故，预警装置会发出警报，传送给监测人员，及时处理。
当无人艇驶入一片环境问题较为严重的海域时，首先无人艇的各种传感器开始工作，同时无人机系统3-3起飞，给予空中视野，可以观测污染区域的范围等，各种传感器所测量的环境数据如风速、风向、温度、湿度、酸碱度等数据，所测得的数据由控制系统5进行收集处理分析，并且通过通讯系统传给地面站工作人员，工作人员通过数据分析下达进一步的指令，可以使用海水取样装置3-4采取一定的海水样本用来监测，如发现较大的漂流垃圾或者因为污染死亡的生物，可以使用机械臂3-6进行打捞存取。
推进器4-1分布于四个浮体的后端各一个，无轴推进器不需要轴系传递动力，可以较少能源损耗，同时可以节省船体空间，放置更多的设备仪器，可以转动的推进器大大提高了无人艇的操纵性和适航性。控制系统5包括主控制器以及分别与其信号连接的微型惯性测量仪5-1、DGPS5-2、高精度三维电子罗盘5-3、高精度激光测距仪5-4、数传电台5-5、通讯系统5-6。主控制器采用STM32单片机控制器以及核心处理器，作为无人艇的电脑及时收集信息传输并作出判断，DGPS5-2、三维电子罗盘5-3将无人艇的实时位置可以发送到基站，当无人艇前方有障碍物时，布置在船艏以及侧体的激光测距仪5-4会发出预警躲避。整个系统在地面站的控制下，由STM32主控系统收集传输数据指令，各个部分协调运行，实现一定的功能。
为了更好的达到目的，上述的具有局部柔性体的环境监测四体无人艇的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：设计变量：
设无人艇的主艇体长为L，潜体长度Lm，支柱长度La，支柱高度H，常规细长型侧体长度L1，宽度B1，四体艇体方形系数Cb，吃水T，型深D，设计航速Vs，螺旋桨直径Dp，螺旋桨盘面比Aeo，设计航速下的螺旋桨转速N，浮心纵向位置Lcb，重心纵向位置Xg，盘面比Aeo，螺距比PDP，减摇助推鳍弦长L2，减摇助推鳍翼展L3，支柱尾部柔性体长L4，自由翼翼展L5，自由翼弦长L6，柔性翼面面积A1；
步骤二：建立目标函数：
考虑无人艇采用了柔性减摇助推鳍装置，将柔性翼面产生的附加推力考虑到整个推力中，选用海军系数作为快速性目标函数，并设置目标函数值越大越好，因此：
式中：Δ——排水量；VS——设计航速；Rt——总阻力；
对于无人艇的操纵性，回转性指数K和稳定性衡准数C常作为检验四体艇操纵性优良的指标，将无因次化的K'和C'采用幂指数乘积的形式组合，则操纵性目标函数h(x2)：
式中：0＜gi＜1，g1*g2＝1；
对于环境监测方面，主要考虑有风速传感器的功能性θ1、风向传感器的功能性θ2、无人机系统的功能性θ3、海水取样装置的功能性θ4、样品存储装置的功能性θ5、机械臂的功能性θ6、预警装置的功能性θ7和水上水下摄像头的功能性这些功能性与强度指标都是越大越好，构建f3(x)作为功能性目标函数，并且其值越大为性能最优，其表达式为：
式中：0＜εi＜1，ε1*ε2*ε3*ε4*ε5*ε6*ε7*ε8＝1；
在无人艇横摇运动中，横摇惯性半径作为判断无人艇横摇优劣的关键参数之一,将其作为无人艇横摇性能的判断标准十分合适，根据贝尔斯统计大量船舶耐波性提出的船舶耐波性指数R,其不仅可以用来判断船舶耐波性的优劣，而且还可以作为选择较佳耐波性船型的标准，可以采用横摇、纵摇和垂荡有义值函数幂指数积的形式作为耐波性的目标函数。
式中：R代表四体无人艇的横摇有义值函数；P代表四体无人艇的纵摇有义值函数；H代表四体无人艇的垂荡有义值函数。
综合以上四个方面构建总目标函数H(x)，表达式如下：
式中：
上述方法的约束条件包括：
①各设计变量合理的上下限；
②螺旋桨要满足空泡要求；
③按照《艇舶入级规范》，舵的总面积要求；
④按照艇舶的稳性规范，正浮初稳性高要大于0.3米；
⑤计算得出的排水量与设计排水量相等；
⑥螺旋桨的有效推力与艇体总阻力相等；
⑦主机供给螺旋桨的转矩与螺旋桨承受的水动力转矩相等；
⑧转矩平衡约束；主机供给螺旋桨的转矩与螺旋桨承受的水动力转矩相等。

Claims (2)

1.一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇，其特征在于：包括四体无人艇艇体（1）、柔性减摇助推鳍装置（2）、综合环境监测系统（3）、推进器（4-1）、能源舱（4-2）和控制系统（5），四体无人艇艇体（1）包括上层建筑（1-1）、浮体、连接甲板（1-4），浮体设有四个，在连接甲板（1-4）呈2×2阵列间隔分布并分别与连接甲板（1-4）底部连接，每个浮体上间隔安装有多个柔性减摇助推鳍装置（2），每个浮体下部的尾端分别安装有一个推进器（4-1），上层建筑（1-1）与连接甲板（1-4）的顶部连接，综合环境监测系统（3）、能源舱（4-2）、控制系统（5）分别安装于连接甲板（1-4）上，柔性减摇助推鳍装置（2）、综合环境监测系统（3）、推进器（4-1）、能源舱（4-2）分别与控制系统（5）通过数据线缆连通；
柔性减摇助推鳍装置（2）包括减摇助推鳍本体（2-1）、传动机构（2-2）、转动轴一（2-3）、轴承安装座（2-4）、减速器（2-5）、驱动电机二（2-6）、自由翼（2-7）、转动轴二（2-8），减摇助推鳍本体（2-1）设有两个，在浮体的相对两侧对称设置并通过传动机构（2-2）连接，传动机构与转动轴一（2-3）连接，转动轴一（2-3）与减速器（2-5）的输出端连接并通过轴承安装座（2-4）安装于浮体上，驱动电机二（2-6）的输出端与减速器（2-5）的输入端连接，自由翼（2-7）与减摇助推鳍本体（2-1）的尾端活动连接；传动机构（2-2）包括两个齿轮副，两个齿轮副分别与对应的一个减摇助推鳍本体（2-1）连接，齿轮副包括一对锥型齿（2-9）、转动轴三（2-10）、直齿轮（2-11），一对锥型齿（2-9）呈直角啮合，其中一个锥型齿（2-9）与直齿轮（2-11）通过转动轴三（2-10）连接，另一个锥型齿（2-9）通过转动轴二（2-8）与减摇助推鳍本体（2-1）连接，转动轴一（2-3）上对应安装有与直齿轮（2-11）啮合的转动齿轮；
浮体包括支柱（1-2）、潜体（1-3），支柱（1-2）的上端与连接甲板（1-4）的底面连接，潜体（1-3）水平安装于支柱（1-2）下端，支柱（1-2）、潜体（1-3）上分别安装有柔性减摇助推鳍装置（2），推进器（4-1）安装于潜体（1-3）的尾部；
柔性减摇助推鳍装置（2）在潜体（1-3）上前后间隔设有两个，前端的柔性减摇助推鳍装置（2）安装于距潜体（1-3）首部1/7～1/6处，后端的柔性减摇助推鳍装置（2）安装于距潜体（1-3）尾部1/5～1/4处，柔性减摇助推鳍装置（2）在支柱（1-2）上安装有一个，与潜体（1-3）的间距为支柱（1-2）高度的1/4～1/3处，柔性减摇助推鳍装置（2）翼展为潜体（1-3）长度的1/6～1/5，潜体（1-3）的长度为四体无人艇艇体（1）总长度的1/6～1/5倍，潜体（1-3）的最大宽度为潜体（1-3）长度的1/8～1/6倍；当无人艇在高海况情况下航行以及作业时，柔性减摇助推鳍装置（2）开始工作，驱动电机二（2-6）开始运转，将动力传输到减速器（2-5），减速器根据测得水流流速通过齿轮系改变转动速度，再通过转动轴一（2-3）将动力传输到传动机构（2-2），传动机构（2-2）由齿轮副组成，由转动轴一（2-3）带动直齿轮（2-11）转动，转动轴三（2-10）带动锥型齿（2-9）转动，锥型齿（2-9）通过转动轴二（2-8）带动减摇助推鳍本体（2-1）围绕转动轴二（2-8）摆动，将波浪引起的横纵摇抵消掉一部分，同时由于柔性减摇助推鳍装置（2）的摆动会产生向后的力，从而产生附加推力;在海况好以及无人艇做回转运动的情况下，减摇助推鳍本体(2-1)同时工作并且保持在一定角度，提高无人艇的适航性；
支柱（1-2）为对称翼型，支柱（1-2）包括支柱主体以及设置于支柱主体尾端的柔性体，柔性体在支柱（1-2）尾部1/5～1/4处，柔性体高度为支柱（1-2）高度的9/10，柔性体包括转动轴（1-5）、柔性部分（1-6）、驱动电机一（1-7），柔性部分（1-6）通过转动轴（1-5）与支柱主体连接，柔性部分（1-6）采用柔性材料，驱动电机一（1-7）安装于支柱主体上并与转动轴（1-5）连接，潜体（1-3）、连接甲板（1-4）分别与支柱主体连接；无人艇在自由航行时，柔性部分（1-6）处于自由状态，随着船体的运动受到海流影响时，不借助船体的力量自由摆动，有效减少横纵摇并为无人艇提供前进的动力；当无人艇做回转运动时，通过控制系统（5）驱动驱动电机一(1-7)提供动力，通过转动轴(1-5)带动柔性部分(1-6)转动到某一个特定角度；
支柱（1-2）的形状为对称翼型并采用单支柱的结构形式，支柱（1-2）的长度为潜体（1-3）长度的1/2～3/4倍，支柱（1-2）的宽度为潜体（1-3）宽度的1/7～1/5，支柱（1-2）的高度为支柱（1-2）长度的1.5～2.5倍，前端的两个支柱（1-2）位于四体无人艇艇体（1）艏段向后1/7～1/5的位置，后端的两个支柱（1-2）位于四体无人艇艇体（1）尾段向前1/7～1/5的位置处，两侧浮体以四体无人艇艇体（1）中纵剖面为对称面，浮体之间的间距为四体无人艇艇体（1）宽的1/2～5/6；
四体无人艇艇体（1）总长度为40～60m，长宽比为1.5～2.5，设计航速为23～40km，四体无人艇艇体（1）为流线型，浮体的首部呈半椭球型，尾部为向尾段方向逐渐平顺收缩的锥体；
综合环境监测系统（3）包括风速传感器（3-1）、风向传感器（3-2）、无人机系统（3-3）、海水取样装置（3-4）、样品存储装置（3-5）、机械臂（3-6）、预警装置（3-7）、水上水下摄像头（3-8），风速传感器（3-1）和风向传感器（3-2）安装于上层建筑（1-1）的首部，无人机系统（3-3）安装于四体无人艇艇体（1）的尾部中央位置，海水取样装置（3-4）安装于四体无人艇艇体（1）的一侧后半部分，机械臂（3-6）在四体无人艇艇体（1）尾部间隔设有两个，预警装置（3-7）安装于四体无人艇艇体（1）的中间部分，对称间隔设有两个，水上水下摄像头（3-8）安装于四体无人艇艇体（1）的一侧，风速传感器（3-1）、风向传感器（3-2）与控制系统（5）信号连接，海水取样装置（3-4）与样品存储装置（3-5）连接，样品存储装置（3-5）位于上层建筑（1-1）甲板舱内。
2.根据权利要求1所述的一种具有局部柔性体的环境监测四体无人艇，其特征在于：控制系统（5）包括主控制器、以及分别与主控制器信号连接的微型惯性测量仪（5-1）、DGPS（5-2）、高精度三维电子罗盘（5-3）、高精度激光测距仪（5-4）、数传电台（5-5）、通讯系统（5-6），主控制器采用STM32单片机控制器以及核心处理器，控制系统（5）安装于上层建筑首端。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29720003U1 (de) * 1997-11-11 1998-04-23 Wiest, Franz, 88255 Baindt Elastische Flosse (Flossen) zum Antrieb von Wasserfahrzeugen, Schwimmkörpern und Surfbrettern
CN103838243A (zh) * 2012-11-22 2014-06-04 上海市浦东新区知识产权保护协会 一种新型无人巡航驾驶控制器
CN109649590A (zh) * 2018-12-03 2019-04-19 江苏科技大学 一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇
CN209634674U (zh) * 2019-02-21 2019-11-15 刘谦船舶技术服务(天津)有限公司 一种可变形的高适应性船舶
CN111824349A (zh) * 2020-08-06 2020-10-27 大连理工大学 一种用于多体船的侧体发电机构

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1528005A (fr) * 1967-04-24 1968-06-07 Véhicule de sport et de tourisme nautique
CN101708760A (zh) * 2009-12-07 2010-05-19 上海电器科学研究所（集团）有限公司 小水线面双体型高性能水域无人巡查装置
CN103318378B (zh) * 2013-07-02 2016-01-27 哈尔滨工程大学 双体船纵向运动姿态控制装置
CN203318656U (zh) * 2013-07-16 2013-12-04 韩颖骏 仿生水黾机器人
EP3145804B1 (en) * 2014-05-22 2019-05-01 Saab Ab Unmanned surface vehicle
CN104925215A (zh) * 2015-06-10 2015-09-23 沈阳航空航天大学 太阳能舰载多功能三体取样船
CN112319719B (zh) * 2020-11-03 2021-10-29 上海交通大学 一种无人艇用的可伸缩式减摇鳍、控制系统及控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29720003U1 (de) * 1997-11-11 1998-04-23 Wiest, Franz, 88255 Baindt Elastische Flosse (Flossen) zum Antrieb von Wasserfahrzeugen, Schwimmkörpern und Surfbrettern
CN103838243A (zh) * 2012-11-22 2014-06-04 上海市浦东新区知识产权保护协会 一种新型无人巡航驾驶控制器
CN109649590A (zh) * 2018-12-03 2019-04-19 江苏科技大学 一种波浪能和太阳能综合发电四体无人艇
CN209634674U (zh) * 2019-02-21 2019-11-15 刘谦船舶技术服务(天津)有限公司 一种可变形的高适应性船舶
CN111824349A (zh) * 2020-08-06 2020-10-27 大连理工大学 一种用于多体船的侧体发电机构

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