用于海洋地理监测的自主帆船的制作方法
【专利说明】用于海洋地理监测的自主帆船
[0001]本申请要求2012年3月27日提交的美国临时专利申请61/616，044的权益。
[0002]本发明的【背景技术】及
【发明内容】
[0003]本发明涉及自主航海帆船领域，更具体地说，涉及一种低成本、高效并且坚固耐用的帆船，这种帆船包括用于监测和报告环境及其他状况的监测和通信设备。
【背景技术】
[0004]全世界的海洋大多在监测起来非常困难并且代价昂贵的区域中，一部分的原因是由于被海洋包围的区域的大小以及到达遥远区域所要求的时间和资源。据估计每天要花费约1到10万美元来在遥远区域(诸如南太平洋)中提供有人驾驶的监测船。因此，实际进行了非常少的海洋地理监测。类似地，航空勘察也是非常昂贵的，并且在每次飞行期间能够进行监测的范围和区域方面非常受限。有人驾驶的舰船或飞行器也受制于恶劣天气条件，这会限制可能进行监测的次数或者可能将监测人员置于风险增加的境地。卫星成像提供了与海洋表面及之上的状况有关的一些信息，但在海洋表面之下的情况中基本上是受限的。
[0005]存在对于提供更详细的海洋地理监测的增长的需求。例如，关注于对海洋生物有害的碳氢化合物及其他物质的增长的水平。在沿海地区，特别关注于从肥沃的土地流失的氮。对特定栖息地中的鱼类的监测可以提供对增加的死亡率或降低的出生率的早期警告。类似地，如果发生环境灾害(诸如海湾石油泄漏)，对灾难的影响程度的准确监测能够有助于救援和修复行动。
[0006]除了环境问题之外，在世界某些地区中海盗活动的增加以及经由海运的毒品走私的增加也是令人关注的。人工监视在范围和区域方面是受限的，并且在一些情况下，对于监视人员而言是危险的。
[0007]除了处理特定问题之外，对海洋地理状况的监测还可以增强我们预报风暴和海嘯的能力，并且还可以通过向船只警告特别危险的状况来加强海事安全。在一些情况下，在一个区域中海上远程监测器的可用性可以加强在该区域中的搜索和营救行动。
[0008]提供用于增强海洋地理监测的可负担的装置将会是有益的。还将有益的是能够在所监测的地点不需要人员的情况下提供这种增强的海洋地理监测。还将有益的是在危险的状况下提供具有高存活可能性的可靠并且鲁棒的监测能力。
[0009]这些及其他益处可以由一种自主帆船船队来实现，这种自主帆船装备有用于报告环境及其他状况的监测和通信设备。为了最佳的稳定性和速度，该自主航行帆船是具有自动扶正能力的多体船(双体船)。每个帆船通过一个或多个卫星链路来发送和接收信息，使用太阳能来为通信设备以及监测设备供电。每个帆船包括:自动调帆系统，其用于保持与风向的期望的攻角(“迎角”)；以及电动推进器，其在有足够的电力可用时根据需要来使用。使用模块化设计来支持特定于任务的有效负载。
[0010]在一个示例性实施例中，所述帆船包括:彼此平行布置的并且通过桁架装置连接在一起的多个船体；翼帆结构，其可围绕与所述多个船体的平面垂直的第一旋转轴以及与所述船体平行的第二旋转轴进行旋转；以及自动扶正系统，其配置为当检测到所述帆船的倾覆时使翼帆结构围绕第二旋转轴进行旋转。
[0011]对倾覆的帆船的扶正可以通过以下操作来进行:使浮力桅杆结构围绕与水体表面平行的轴进行旋转，使得倾覆的帆船的浮力中心移至该倾覆的帆船的重心之外。
[0012]在另一个示例性实施例中，所述帆船包括:彼此平行布置的并且通过桁架装置连接在一起的多个船体；翼帆结构，其可围绕与所述多个船体的平面垂直的第一旋转轴进行旋转；以及自动调校系统，其控制翼帆结构围绕所述第一旋转轴的旋转。所述翼帆结构包括:翼帆，其提供升力来推动所述帆船前进；风向标，其以所述翼帆结构为枢轴转动以便始终与当前风向对准；以及连接杆，其控制翼帆结构的方位和风向标的方位之间的差。所述自动调校系统包括:凸轮，其附接到所述桁架装置并且连接到所述连接杆以基于桁架结构的方位来控制所述翼帆结构的方位和所述风向标的方位之间的所述差。
[0013]所述自调校可以通过以下操作来进行:将所述翼帆结构和所述风向标结构通过凸轮连接起来，该凸轮基于所述风向标结构指示的风向来控制翼帆的攻角。
【附图说明】
[0014]下面参照附图通过举例的方式来进一步详细地解释本发明，其中:
[0015]图1示出了通过卫星和因特网连接与用户通信的自主航行船队的示例性概念简图。
[0016]图2A-2B示出了依据本发明的方面的示例性自主帆船。
[0017]图3A-3I示出了具有自扶正能力的示例性自主帆船。
[0018]图4A-4E示出了具有自调校能力的示例性自主帆船。
[0019]图5示出了示例性自主帆船的通信和控制系统的示例性框图。
[0020]在所有附图中，相同的附图标记指示类似或相应的特征或功能。所包括的附图是为了解释说明的目的，而非旨在限制本发明的范围。
【具体实施方式】
[0021]在下面的说明书中，出于解释而非限制的目的，给出了诸如特定架构、接口、技术等具体细节，以便提供对本发明的概念的彻底理解。然而，本领域的技术人员应意识到的是，本发明可以在脱离这些具体细节的其它实施方式中实践。类似地，该说明书的文字是针对于附图中示出的示例性实施例的，但并非旨在限制所要求保护的发明超出权利要求中明确包括的限制。出于简要和清楚的目的，忽略了对公知的设备、电路以及方法的详细描述，以便不使本发明的描述与不必要的细节相混淆。
[0022]图1示出了通过卫星和因特网连接与用户通信的自主帆船船队的示例性概念简图。在一个典型的实施例中，船队的提供商将基于特定的客户针对特定于任务的监测任务的需求来配置舰船。该船队的移动由船队的提供商基于来自客户的指示来控制，并且对特定于任务的信息的收集可以至少部分地由客户来控制。
[0023]舰船110的船队被部署在待监测的区域，并且与监测和控制站150进行通信以便接收控制信息和发送监测和其它信息。典型地，舰船彼此间的通信将通过卫星通信系统120-130，虽然也可以使用其它形式的通信。例如，在靠近海岸的任务中，可以使用岸上蜂窝塔170，通过蜂窝网络来提供通信。
[0024]可选地，可以针对不同的应用使用不同的通信系统。例如，可以通过一个系统来传送导航信息，并且可以通过另一个系统来传送监测信息。
[0025]监测和控制系统150通过例如因特网140来将控制信息传送到船队并且从舰船接收反馈信息。其它监测系统160可以从舰船接收监测到的信息，并且可以可选地配置成控制特定的监测设备。
[0026]依据所使用的通信系统，这些消息将提供目的地信息。例如，如果使用因特网140，则这些消息将传送目的地URL地址或地址集合，用以将消息递送给卫星通信系统120-130和因特网140之间的因特网接口 135。如果使用蜂窝网络。这些消息可以是定址(addressed)到一个或多个目的地的文本消息。
[0027]在命令通信系统的示例性实施例中，每个舰船可以具有一个各自的通信地址，并且该船队可以具有一个船队通信地址，从而允许将船队作为一个整体来进行控制以及控制船队中的单个舰船。该控制通常将以导航命令和监测命令的形式。这些命令的结构将取决于舰船110中提供的能力。例如，如果舰船110包括导航软件，则控制站150可以仅需要传送目标位置(例如，玮度、经度)，并且舰船110可以确定行驶方向以及以该方向行进的舰船命令(例如，方向舵控制)。在其它实施例中，控制站150可以传送行驶方向，并且舰船110确定舰船命令；或者，控制站150可以向每个舰船110传送舰船命令。命令结构可以范围从基本的舰船命令到最高支持的导航命令，从而允许控制站150处的操作员对船队以及船队中的单个舰船行使取决于情况的控制。
[0028]每个舰船优选地包括用于提供位置和跟踪信息的导航监测器，诸如提供舰船的当前位置以及行驶的速度和方向的GPS系统。这些信息通常将被传送给控制站150，以及由舰船内的控制系统使用以促进舰船控制。例如，可以使用跟踪信息来控制舰船的路径，以基于当前风况来实现朝着目标区域的最佳“沿计划航线上的航速”(VMG)，包括在不同的“抢风航行路线(tack)”上(相对于风的方向)行驶以实现在目标方向上的整体最佳速度(“抢风航行(tacking) ”到目标)。
[0029]每个舰船还包括各种监测设备；在一些应用中，不同的舰船可以装备不同的监测设备。舰船的监测设备通常包括例如前述的GPS(全球定位系统)、惯性测量单元(MU)、温度传感器以及风向和速度传感器，并且可以包括摄像机和船体速度传感器。
[0030]特定于任务的监测设备可以包括视频和红外摄像机、扫描仪、声学传感器和水听器、电导传感器、氧气及其他气体传感器、气压计、光流控水质传感器、碳氢化合物检测器、盖革(Geiger)计数器、盐度及pH传感器、压力传感器等。监测到的信息可以连续地、周期性地、在需要时、或者当被触发时传送给监测系统150、160。所述触发可以基于所监测到的值的改变、位置的改变等。如所提到的，可以将特定于任务的监测到的信息提供给一个或多个监测系统160，并且这些系统可以控制监测设备中的一些或全部。
[0031]值得注意的是，船队被部署为一个船队，一个区域内的测量可以从该区域内的不同位置处的舰船获得。这种多测量可以允许通过公共位置确定技术来确定检测到的物体的位置，诸如基于确定的范围、从不同的舰船检测到的物体的方向或方位进行三角测量。
[0032]还值得注意的是，虽然通常可以使用对给定目标区域内的舰船的相对自由的定位，