CN105314081A - 一种混合动力快速无人监测艇 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人水面艇，具体地说是一种混合动力快速无人监测艇。包括艇体、桅杆、动力与推进系统、能源系统、控制与导航系统、通信系统及监测载荷系统，其中能源系统、动力与推进系统设置于艇体的内部，所述艇体的上部设有桅杆，所述桅杆上设有无线和卫星通信天线、气象监测载荷及卫星导航终端。所述动力与推进系统包括柴油发动机、电动机、发电机、混合动力齿轮箱及喷水推进器，其中柴油发动机和电动机分别通过两个离合器与混合动力齿轮箱的两个输入端连接，所述混合动力齿轮箱的输出端与喷水推进器连接，所述喷水推进器设置于艇体的艉部，所述发电机与柴油发动机连接。本发明具有无人操纵、自航观测的特点，采用混合动力不仅能够高速巡航和低速监测，而且可实现能源的高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人水面艇，具体地说是一种混合动力快速无人监测艇。
背景技术
海洋水文气象、地形地貌等基础环境参数不仅对国民经济生产有着非常强的指导意义，也是海洋国防建设和海洋领土安全等军事活动的根本保障。无人水面艇(USV)以其排水量小、机动性强、部署快、作业效率高等特点在重要特殊应用场合得到高度重视，获得迅速发展。
传统上，军用USV多采用柴油发动机为动力源，可实现高速巡航和快速部署(速度一般可达40节以上，最大可达50节)。而在民用领域，尤其是作为海洋科学研究用途的USV，多采用蓄电池作为动力源，最大速度一般在10节以下，多在5节及以下速度执行海洋学调查任务。采用电动力开展海洋学调查，可避免柴油机振动和噪声对监测载荷的影响，并且由于没有废气和冷却废水的排放，因而不会对海洋水文参数产生污染。即使不考虑柴油机对海洋学调查设备工作的影响，由于调查设备要求的调查工作航速远低于以柴油机为动力的无人水面艇的最高航速，这将导致这类无人水面艇往往长期工作在柴油发动机的怠速附近，严重影响柴油机的寿命和燃油利用的经济性，引起不必要的额外碳排放。
因此，如何将军用USV和传统海洋调查型USV两种优点结合，对我国近海或远海发生的突发和应急事件做出迅速反应，实现快速部署和高效低成本调查，是海洋学调查面临的一个重要问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种混合动力快速无人监测艇。该快速无人监测艇具有无人操纵、自航观测的特点，采用混合动力不仅能够高速巡航和低速监测，而且可实现能源的高效利用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种混合动力快速无人监测艇，包括艇体、桅杆、动力与推进系统、能源系统、控制与导航系统、通信系统及监测载荷系统，其中能源系统、动力与推进系统设置于艇体的内部，所述艇体的上部设有桅杆，所述桅杆上设有通信系统中的无线和卫星通信天线、监测载荷系统中的气象监测载荷及控制与导航系统中的卫星导航终端。
所述动力与推进系统包括柴油发动机、电动机、发电机、混合动力齿轮箱及喷水推进器，其中柴油发动机和电动机分别通过两个离合器与混合动力齿轮箱的两个输入端连接，所述混合动力齿轮箱的输出端与喷水推进器连接，所述喷水推进器设置于艇体的艉部，所述发电机与柴油发动机连接。
所述能源系统包括燃油和蓄电池组，所述柴油发动机与盛装燃油的供油油箱连接，所述发电机通过配电控制器与蓄电池组和配电箱电连接，所述蓄电池组与电动机均与配电箱电连接。
所述发电机、蓄电池组及动力与推进系统均为两个，各动力与推进系统中的柴油发动机分别配置独立的供油油箱，两个柴油发动机分别与两个发电机连接，两套蓄电池组的供电状态与充电状态可相互切换，所述两个动力与推进系统中的喷水推进器并列设置于艇体的艉部。
所述桅杆包括前后设置、并前低后高的两个桅杆，所述无线和卫星通信天线和卫星导航终端设置于前桅杆上，所述气象监测载荷设置于后桅杆上，所述后桅杆的顶部设有避雷针。
所述通信系统包括卫星天线、用于与水面/岸基指挥控制中心进行信息交换的无线设备和用于各分系统电子设备信息交互的网络设备，所述卫星天线设置于所述前桅杆上，包括用于接收卫星信号的海事卫星接收设备和GPS/北斗接收设备，所述通信系统完成无人监测艇的近、远程通信功能。
所述控制与导航系统包括控制模块、导航模块及避碰模块，其中控制模块包括自动驾驶计算机、应急处理模块，所述自动驾驶计算机作为自主控制的核心，负责无人监测艇的管理决策、状态传感器数据的采集与处理、系统的故障诊断以及各设备的运行控制，所述应急处理模块用于无人监测艇失去动力或发生严重故障时的示位；所述导航模块包括惯性导航单元、北斗/GPS接收终端设备，通过对数据的处理，得到无人监测艇的导航定位信息；所述避碰模块包括导航雷达、激光雷达、夜视仪及自动身份识别系统，全天候探测近远程障碍目标位置，通过这些环境数据，结合无人水面艇运动状态建立局部环境地图、进行自主避碰规划决策，得到无人水面艇的避碰行为信息。
所述监测载荷系统包括监测载荷控制单元及与监测载荷控制单元连接的监测传感器，所述监测传感器包括气象监测载荷、水文监测载荷和地形测量设备，所述气象监测载荷包括气压传感器、温湿度传感器、能见度传感器、风速风向传感器，所述水文监测载荷包括温盐深传感器、声学多普勒流速剖面仪，所述地形测量设备是指多波速测深仪。所述艇体的底部设有安装井，所述安装井内通过伸缩机构安装有可伸出或缩回的所述水文监测载荷和地形测量设备。所述水文监测载荷和地形测量设备通过伸缩机构设置于艇体的底部设有的安装井内，所述水文监测载荷和地形测量设备通过伸缩机构可伸出或缩回安装井内。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明可用于近岸、浅海、油气平台周边、岛屿周边及特定海域测绘、海洋环境监测。最高航速不小于50节，30节航速的续航力不低于1000公里；搭载能力不少于300公斤，5节航速时的连续监测时间不小于一周。
2.本发明可测量风速、风向、气压、温度、湿度、能见度等气象参数和波高、波向、波浪周期、海流剖面、水体温度盐度等水文参数，以及海底地形地貌等参数。
3.本发明具有视频监视、实时通信、定位及无人自主和无线电遥控航行控制功能，具备自主避碰能力。
4.本发明集成了传统军用无人水面艇和海洋科研用无人水面艇的优点，采用油电混合动力技术兼顾了无人水面艇的快速巡航和低速观测两个需求，使无人水面艇实现了快速部署和长期作业。
附图说明
图1为本发明的总体结构图；
图2为本发明的前桅杆布置图；
图3为本发明的后桅杆布置图；
图4为本发明的左视图；
图5为本发明的底部局部视图；
图6为本发明中动力与推进系统的组成框图；
图7为本发明中能源系统的组成框图。
其中：1为艇体，2为温盐深传感器，3为声学多普勒流速剖面仪，4为多波束测深仪，5为喷水推进器，6为气压传感器，7为卫星天线，8为导航雷达，9为夜视仪，10为激光雷达，11为温湿度传感器，12为能见度传感器，13为风速风向传感器，14为避雷针。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1-5所示，本发明包括艇体1、桅杆、动力与推进系统、能源系统、控制与导航系统、通信系统及监测载荷系统，其中艇体1为单体、单甲板、中V型高速滑行艇线型，同时艏部设有自动充气气囊功能的自扶正装置，保证艇体的航行安全。
艇体1的内部设有能源系统、动力与推进系统及电气电子控制设备等，所述艇体1的上部设有前、后设置的两个桅杆，前桅杆比后桅杆低。所述前桅杆上安装有无线和卫星通信天线和卫星导航终端，所述后桅杆上安装气象监测载荷和避雷针14，避雷针14是无人监测艇的安全部件。艇体1下部设有安装井，安装井内通过可伸缩机构安装有水文监测载荷和地形测量设备。所述水文监测载荷包括温盐深传感器2、声学多普勒流速剖面仪3，所述地形测量设备是指多波速测深仪4。所述水文监测载荷和地形测量设备是监测载荷系统的重要组成部分，这些设备可由艇体1下部的安装井中升出或缩回。
如图6所示，所述动力与推进系统为两个，即双机双桨形式，以提高系统的可靠性和航行的机动性。各动力与推进系统均包括柴油发动机、电动机、发电机、混合动力齿轮箱及喷水推进器5，其中柴油发动机和电动机分别通过两个离合器与混合动力齿轮箱的两个输入端连接，所述混合动力齿轮箱的输出端与喷水推进器5连接。两个喷水推进器5并列设置于艇体1的艉部。所述发电机与柴油发动机连接。所述动力与推进系统有两种工作模式，当无人监测艇处于高速巡航或较高速度监测作业时(比如10节航速快速监测)，由柴油发动机作为机械原动力，通过混合动力齿轮箱直接驱动喷水推进器5工作；当无人监测艇在低速状态进行海洋环境监测时(比如不大于5节航速)，柴油发动机关闭，动力与推进系统通过蓄电池组给电动机供电，由电动机驱动喷水推进器5工作，以提高燃油利用效率。两种动力的切换通过控制混合动力齿轮箱输入端的离合器实现。
如图7所示，所述能源系统包括两个供油油箱和两套蓄电池组，各动力与推进系统中的柴油发动机分别配置独立的供油油箱，两个柴油发动机分别与两个发电机连接，所述两个发电机与配电控制器电连接，所述配电控制器与配电箱及两套蓄电池组电连接，两套蓄电池组的供电状态与充电状态可相互切换。采用两套蓄电池组，可保证在无人监测艇工作期间，始终为电子设备、监测载荷提供干净的清洁电力，并起到备份的作用，提高系统可靠性。所述配电控制器与配电箱均为现有技术。
对应动力与推进系统的工作模式，能源系统也存在两种模式：(1)柴油发动机工作时，一方面驱动喷水推进器5实现无人监测艇的航行。另一方面带动轴带发电机给一组蓄电池组充电，而另一组蓄电池组给电子设备和监测载荷供电，两组蓄电池组可在充电与供电状态间自动切换；(2)柴油发动机停止工作时，蓄电池组既给电动机供电，为航行提供推进动力，也给电子设备和监测载荷供电，满足其用电需求。
所述通信系统包括卫星天线7、用于与水面/岸基指挥控制中心进行信息交换的无线设备和用于各分系统电子设备信息交互的网络设备，所述卫星天线7设置于所述前桅杆上，包括用于接收卫星信号的海事卫星接收设备和GPS/北斗接收设备，所述通信系统完成无人监测艇的近、远程通信功能。
所述控制与导航系统包括控制模块、导航模块及避碰模块，其中控制模块包括自动驾驶计算机、应急处理模块等，自动驾驶计算机作为自主控制的核心，负责无人监测艇的管理决策、状态传感器数据的采集与处理、系统的故障诊断以及各设备的运行控制，应急处理模块用于无人监测艇失去动力或发生严重故障时的示位等。所述导航模块包括惯性导航单元、北斗/GPS接收终端等设备，通过对数据的处理，得到无人监测艇的导航定位信息；所述避碰模块包括导航雷达8、激光雷达10、夜视仪9及自动身份识别系统(AIS)，全天候探测近远程障碍目标位置(距离和角度)，通过这些环境数据，结合无人监测艇运动状态建立局部环境地图、进行自主避碰规划决策，得到无人监测艇的避碰行为信息。
所述监测载荷系统包括监测载荷控制单元及与监测载荷控制单元连接的监测传感器组。后桅杆上安装气象观测相关的传感器，包括温湿度传感器11、能见度传感器12、风速风向传感器13、避雷针14。后桅杆下部支架上还有气压传感器6。其中气压传感器6、温湿度传感器11、能见度传感器12、风速风向传感器13是监测载荷系统的一部分。监测载荷系统的组成可根据监测需求来配置，基本配置可完成风速风向、温湿度、气压、能见度等海面气象要素的测量，以及海水温盐深、海流剖面、海面波浪等水文要素的测量，以及海底地形地貌等要素的测量。监测载荷控制单元作为监测载荷系统的核心，具有连接多传感器的接口，负责采集监测传感器的数据，并进行相应的处理。风速风向传感器13采用风速、风向采集一体的螺旋桨式飞机尾翼强风传感器，使用不锈钢防腐蚀轴承；温湿度传感器11分别采用铂电阻感温传感器和电容式高分子聚合物传感探头；气压传感器6通过防风呼吸口以减小强风产生的扰动测量误差；采用的能见度传感器12测量范围不小于20公里；波浪传感器采用加速度式波浪传感器；海流测量采用目前技术成熟的海流剖面测量装备，配置存储卡，可满足近海大陆架海域的测流需求。所述控制与导航系统、通信系统及监测载荷系统均为现有技术。
本发明无人监测艇的工作过程是：
在执行监测任务时，无人监测艇在码头完成燃油加载、设备状态检查、使命任务下载等准备工作后，通过柴油发动机驱动喷水推进器5高速(最大航速可达50节)自主航渡到作业海域，在航渡过程中无人监测艇可自主躲避水面船舶、灯塔等障碍目标。到达作业海域后，无人监测艇切换到电动力，通过蓄电池组给电动机供电，从而驱动喷水推进器5低速航行(一般为5节)乃至零速悬停，开始对海洋水文气象、海底地形地貌等参数执行走航式监测或定点式监测。当电池能量即将耗完时，暂停监测，柴油发动机重新启动，切换到燃油动力做低速巡航，并发电给蓄电池组充电，自主充满电后再切换到电动力继续执行监测任务。
当监测设备不受柴油发动机影响并需快速完成监测任务时(如风速、风向、气压、温度、湿度、能见度等参数监测)，柴油发动机直接驱动喷水推进器以较高航速(比如10节)开始对水文气象等海洋参数监测，同时通过发电机给一组蓄电池组充电，另一组蓄电池组则给电子设备和监测载荷供电，监测期间两组蓄电池轮流切换。充电和供电功能的切换由配电控制器和配电箱实现。无论是在航渡期间还是监测期间，无人监测艇均可通过无线电或卫星实时传输视频数据、雷达数据、自身状态数据和监测载荷的测量数据等，并实时接受水面/岸基指挥控制中心的指令。
Claims (9)
1.一种混合动力快速无人监测艇，其特征在于：包括艇体(1)、桅杆、动力与推进系统、能源系统、控制与导航系统、通信系统及监测载荷系统，其中能源系统、动力与推进系统设置于艇体(1)的内部，所述艇体(1)的上部设有桅杆，所述桅杆上设有通信系统中的无线和卫星通信天线、监测载荷系统中的气象监测载荷及控制与导航系统中的卫星导航终端。
2.按权利要求1所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述动力与推进系统包括柴油发动机、电动机、发电机、混合动力齿轮箱及喷水推进器(5)，其中柴油发动机和电动机分别通过两个离合器与混合动力齿轮箱的两个输入端连接，所述混合动力齿轮箱的输出端与喷水推进器(5)连接，所述喷水推进器(5)设置于艇体(1)的艉部，所述发电机与柴油发动机连接。
3.按权利要求2所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述能源系统包括燃油和蓄电池组，所述柴油发动机与盛装燃油的供油油箱连接，所述发电机通过配电控制器与蓄电池组和配电箱电连接，所述蓄电池组与电动机均与配电箱电连接。
4.按权利要求3所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述发电机、蓄电池组及动力与推进系统均为两个，各动力与推进系统中的柴油发动机分别配置独立的供油油箱，两个柴油发动机分别与两个发电机连接，两套蓄电池组的供电状态与充电状态可相互切换，所述两个动力与推进系统中的喷水推进器(5)并列设置于艇体(1)的艉部。
5.按权利要求1所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述桅杆包括前后设置、并前低后高的两个桅杆，所述无线和卫星通信天线和卫星导航终端设置于前桅杆上，所述气象监测载荷设置于后桅杆上，所述后桅杆的顶部设有避雷针(14)。
6.按权利要求1所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述通信系统包括卫星天线(7)、用于与水面/岸基指挥控制中心进行信息交换的无线设备和用于各分系统电子设备信息交互的网络设备，所述卫星天线(7)设置于所述前桅杆上，包括用于接收卫星信号的海事卫星接收设备和GPS/北斗接收设备，所述通信系统完成无人监测艇的近、远程通信功能。
7.按权利要求1所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述控制与导航系统包括控制模块、导航模块及避碰模块，其中控制模块包括自动驾驶计算机、应急处理模块，所述自动驾驶计算机作为自主控制的核心，负责无人监测艇的管理决策、状态传感器数据的采集与处理、系统的故障诊断以及各设备的运行控制，所述应急处理模块用于无人监测艇失去动力或发生严重故障时的示位；所述导航模块包括惯性导航单元、北斗/GPS接收终端设备，通过对数据的处理，得到无人监测艇的导航定位信息；所述避碰模块包括导航雷达(8)、激光雷达(10)、夜视仪(9)及自动身份识别系统，全天候探测近远程障碍目标位置，通过这些环境数据，结合无人水面艇运动状态建立局部环境地图、进行自主避碰规划决策，得到无人水面艇的避碰行为信息。
8.按权利要求1所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述监测载荷系统包括监测载荷控制单元及与监测载荷控制单元连接的监测传感器，所述监测传感器包括气象监测载荷、水文监测载荷和地形测量设备，所述气象监测载荷包括气压传感器(6)、温湿度传感器(11)、能见度传感器(12)、风速风向传感器(13)，所述水文监测载荷包括温盐深传感器(2)、声学多普勒流速剖面仪(3)，所述地形测量设备是指多波速测深仪(4)。
9.按权利要求8所述的混合动力快速无人监测艇，其特征在于：所述水文监测载荷和地形测量设备通过伸缩机构设置于艇体(1)的底部设有的安装井内，所述水文监测载荷和地形测量设备通过伸缩机构可伸出或缩回安装井内。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160210 |