专利名称：无人值守海洋运载工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及海用的无人值守(unmanned)、自控、水运运载工具，在此称为无人值守海洋运载工具(UOV)。更具体地，但非穷举地，本发明涉及一种利用可再生能源的无人值守海洋运载工具，其使得能够延长诸如远程海洋水面监视中的操作时段。
背景技术：
在海上的战争、勘探、科研以及监控应用中，UOV的军事、政治以及商业应用为数众多。诸如船舶和浮标(buoy)的传统平台(platform)在上述这些应用中收集数据和信息的能力是有限地，特别是当与世界海洋的浩瀚相比时。在建造、人工以及操作方面，船舶的花费昂贵。固定或者漂浮的浮标通常仅覆盖极微小的范围。虽然现在可通过卫星远程收集一些另外的数据，但这些卫星更为昂贵，并且它们的传感器可提供的海洋数据非常有限。
可用于直接收集海洋学数据和信息的传感器和工具得到很好的发展。显然，可将现代通信和信息技术应用于充分开拓工具和传感器的扩展网络，如Schmidt等人的美国专利No.5,894,450中所述。然而，所期望的元件是能够为要求耐航力(endurance)的海洋监视、通信、科研以及其它应用提供动力和连贯性的廉价、移动且自续航(self-sustaining)的平台。
传统无人值守水面运载工具，例如Shiffler等人的美国专利No.5,713,293中所述，或者由US Naval Undersea Warfare Centre of Newport，Rhode Island，USA提出的斯巴达(Spartan)“侦察”运载工具，典型地采用提供有限航程和耐航力的矿物燃料动力单元。传统的无人值守水面运载工具，至少当在半自动模式中运转时，也要经受由与更大型船体碰撞或者近距离遭遇所引起的威胁。
发明内容
本发明的目的
本发明的目的是提供一种海用UOV，该UOV解决了针对海上的战争、勘探、科研和监控应用而提出的现有技术的无人值守水面运载工具的缺点，以期望延长操作时段并且/或者覆盖更长的操作航程。
本发明的公开
本申请人在国际专利公开No.WO 98/21089中已经例示出使用太阳能来补充用于海船的诸如矿物燃料或者风能的传统能源，该国际专利公开描述了包括太阳能收集器的翼帆(wing sail)。目前已经实现了可由混合推进系统(诸如具有太阳能收集器的翼帆)为无人值守水面运载工具提供能源，由此改进操作航程。这种翼帆可以枢轴地安装到UOV的船身或者主体上，由此当竖起该翼帆时该UOV能够在风动力下航行，并且如果该翼帆与太阳成最优角度，还能够收集太阳能。另选地，该翼帆可以沿着UOV船身的长度方向倾斜，以便减少在不理想的风条件下的UOV的阻力和受风面积(silhouette)，同时继续收集太阳能。
在一个广泛方面中，本发明在于一种用于在水体的表面之上或者之下操作的UOV，所述运载工具包括
·具有有效载荷舱(payload bay)的封闭船身；
·具有能力收集装置和能量存储装置的混合推进系统，其适于至少利用太阳能和风能；
·用于检测预定环境参数的多个传感器；以及
·通信系统，用于将来自所述传感器的关于选定环境参数的数据发送到一个或更多个远程站和/或协同操作的UOV，并用于从所述一个或更多个远程站和/或协同操作的UOV接收命令信号。
UOV的船身或者主体的外部结构合适地具有水生动物的通常外观，如鱼、海豚、鲸鱼、海龟、鱿鱼、章鱼或者其它合适的水生动物。
优选地，封闭船身适于促进选择性地在水面之上或者之下操作。该船身可以合适地包括用于选择性地下沉和上浮UOV的压载舱(ballasttank)。
更优选地，混合推进系统包括翼帆，所述翼帆具有用于使用风能推进运载工具的翼型结构，并具有设置在该翼帆的表面上的诸如光电池组件的太阳能收集器。优选地，该翼帆可以沿着所述UOV的主体下降到一倾斜位置，以便减少阻力同时继续收集太阳能。
混合推进系统的能量存储装置合适地包括与太阳能收集器耦合的诸如电池或者电容器的储电电池组件。混合推进系统可以进一步包括与流体驱动元件(如推进器、喷射器或者摆动末端部件(oscillating tailmemeber))机械耦合的电机构。
在电机模式下，可以由所述储电电池组件对电机构供电来驱动所述元件，或者另选地，在发电机模式下，可以由驱动元件通过波浪作用、水流或者在再生航行(regenerative sailing)中驱动电机构来对所述储电电池组件进行充电。电容器或者其它快速能量释放设备(如流体蓄电池)可以为UOV提供短程疾速能力(short sprint capability)。
有效载荷舱优选地是内部动力驱动的，以便承载包括海洋学或者军事应用的环境传感器的设备、用于搜索和营救的救生或者消防装备，以及涉及期望UOV操作的武器。环境传感器可以包括风速表、风向标、雷达、光波段传感器、红外波段传感器、化学和/或生物传感器、声敏元件以及深海测量传感器。
通信系统可以包括GPS接收机、LFB/SWB/海用频段接收机、卫星接收机、以及适于上述各接收机的天线阵列，该天线阵列包括可以卷入运载工具并从运载工具中放出，并可以拖动以运行的天线阵列。
最合适的是，UOV能够使用所存储的能量，长时间地潜入水面以下，来避开船只、风暴或者进行秘密行动。如果需要，混合推进系统可以进一步包括用于紧急应用(如排空压载舱以在长时间潜水操作之后浮出水面)的燃料电池组件。
在其它操作模式中，UOV将配置并使用指挥和控制中继中心，指挥各个UOV或者例如多达1000或者更多的UOV成组操作。UOV可以通过远程控制系统(例如太空系统(如卫星)或者航空智能系统(如飞机或者气球))来操作，或者与诸如甚低频(VLF)或者极低频(ELF)传输的军用长距离无线电传输系统相结合来操作。如果需要，UOV可以使用中继型通信系统，该中继型通信系统使用设置在所述组中的各个UOV之间的通信信道，由此经由一系列命令将消息中继回船只上或者陆地基地中的指挥中心。
为了使本发明可以更容易理解并更具有实践效果，现在对例示出本发明优选实施例的附图进行说明，其中
图1是适用于本发明的第一实施例和第二实施例的混合推进系统的整体视图2是表示适于低成本构造的第一实施例的UOV的侧面正视图3是表示第一实施例的UOV的顶视图4是表示适于秘密行动的本发明的第二实施例的UOV的侧面正视图5是表示第二实施例的UOV的正面正视图6是表示第二实施例的UOV的顶视图7是表示适于高负荷容量操作的本发明第三实施例的UOV的顶视图8是第三实施例的UOV的侧面正视图9是适于搜索和营救操作的本发明第四实施例的UOV的横截侧面正视图10是第四实施例的UOV的端视图11是第四实施例的顶视图12是示出翼帆的另选结构的第四实施例的UOV的又一顶视图；以及
图13是这些实施例的UOV的指挥和控制模块的示意性框图。
具体实施例方式
图1描绘了用于本发明的UOV的实施例的混合推进系统100。该推进系统包括光电池组件101的阵列，该光电池组件101的阵列可以安装在运载工具的能够收集太阳能102的表面上或者与其集成在一起。这些收集表面包括如下所述能够为收集太阳能而有选择地放置的翼帆(未示出)的表面103。光电池组件101对诸如电池104的储电电池组件提供电能。电池又将DC电力提供给运载工具的负载(hotel load)105以及在“电机”模式下驱动推进器107的电机/发电机106。
当将固定于运载工具的翼帆竖起时，它们能够使用可用风能来推进运载工具，使运载工具处于“驶帆航行”108中。推进器106也可以被配置成从相对于运载工具的水的流动收集能量，即从经过的水流或者再生航行收集能量，并由此通过在“发电机”模式下驱动电机/发电机来帮助对电池进行再充电。当环境条件不满足时，对电池进行再充电或者提供紧急备用电力的另一选择是通过使用辅助燃料电池组件109。
转到图2和图3，这里表示出能够以较低成本构造出的本发明的第一实施例的UOV 200。该运载工具包括封闭船身201，该封闭船身201由玻璃纤维材料构成，具有3到15米(10到50英尺)的长度，大约1到10米(3到35英尺)的横梁，并且重量在100到8000千克(220到17600磅)的范围内。该船身包围用于重量在50到500千克(110到11000磅)范围内的有效载荷的有效载荷舱室(payload compartment)202。包括龙骨(keel)和舵(未示出)的船身外延部可伸缩以便于存储和操作。
UOV包括具有两个伸缩翼帆203的混合推进系统，这些翼帆203附接到船身201以便收集风能来推进该运载工具。帆204的表面以及船身或者甲板205的上表面都包括覆盖有光电池组件的部分。光电池组件将环境太阳能转换成电能，以便提供给电池组206。电池组又电耦合到与推进器208机械耦合的电机构207。控制模块209与混合推进系统的这些部件中的每一个耦合，并且还与舵210耦合，以便为运载工具导航并且优化对于可用太阳能和风能的使用，从而沿着希望航程推进运载工具。控制模块209包括具有全球定位系统接收机的制导系统，该全球定位系统接收机具有自动定序、跟踪和存储能力。
有效载荷舱室容纳支持环境监控的电子系统211和数据记录装备，包括风速表/风向标212、雷达213以及光和红外波段传感器214、安装于船身的化学/生物传感器215、固定声敏元件216和可任意展开声敏元件217、以及深海测量传感器218。还为GPS接收机和通信目的提供了适合的天线阵列219。
使用结合图1所述类型的风能和太阳能电推进系统100，可预期当运载工具在大约15海里每小时的风中航行时，该运载工具能够达到大约4到8海里每小时的船体速度。在太阳能供电的操作模式中，运载工具能够在最少24小时的时段中保持大约2到4海里每小时。估计有效载荷所需的功率一般为0.5到1.2千瓦，并且通过可选燃料电池组件220即可提供10到40千瓦的备用功率。
在图4到图6中，描述了本发明第二实施例的UOV 300，其适于需要可潜水或者潜水的运载工具操作的秘密行动、监视以及额外任务。封闭船身301由碳纤维合成材料构成并且具有水生动物(在此为海豚或者小鲸鱼)的通常外观。因此船身具有1到10米(3到30英尺)的长度、大约0.1到3米(0.5到9英尺)的宽度、以及50到500千克(110到1100磅)的重量。封闭船身301包括内部有效载荷舱302以容纳10到100千克(22到220磅)的有效载荷重量。
UOV包括混合推进系统，该混合推进系统包括电机303、燃料电池组件304、诸如电池组305的储电电池组件以及用于收集太阳能的光伏阵列306。光伏阵列306设置在附接到船身301的翼帆308的表面上。预期1平方米的翼帆在18海里每小时的信风中的操作将提供大约50瓦特并以3到4海里每小时驱动运载工具。
使用太阳能，预期光伏阵列306能够每天产生1.2千瓦，这将提供给电机303以便驱动推进器307，从而提供2到3海里每小时的运载工具平均速度。电机303可能短时间地超过额定值，在短爆发时间内提供20海里每小时以上的疾速。电池组305、燃料电池组件304和电容组(未示出)能够根据需要提供辅助/备用功率。这种应用包括紧急卸空压载舱313以便使运载工具在长时间的潜水操作之后浮出水面。提供舵309和升降机310的组合用于辅助在制导系统的控制下对运载工具进行制导。
如图中所示，UOV被布置为在相对于水线311半潜的位置中操作，翼帆308竖立在水线上方，以收集环境太阳能并推进运载工具。UOV 300进一步包括具有GPS接收机的制导系统315，该GPS接收机可远程进行自动定序和跟踪存储。将用于气压数据的传感器、用于截获无线电频率发射的传感器、以及其它传感器集成到翼帆组件中，同时将声纳320和其它海洋学传感器321集成到船身301或者龙骨312中。
转到图7和图8，描绘了适于以更高速度传送更大容量有效载荷的本发明第三实施例的UOV 400。该运载工具具有船身组件，该船身组件包括中央船身401和具有各自的舷外浮杆(outrigger)403的两个浮体402，该船身组件由合成材料构成，具有8到20米(25到65英尺)的总体长度、6到16米(20到50英尺)的横梁以及400到8000千克(880到17600磅)的重量。一对其上设置有光电池组件405的翼帆404设置在中央船身401上以便既捕获风能又捕获太阳能。各翼帆404附接到船身上，使得它可在不需要风推进时，沿着船身组件倾斜或者横向倾斜。翼帆的倾斜位置减少了运载工具的受风面积，同时可选地允许进行太阳能的收集。此外，光电池组件406安装在舷外浮杆403之间，来增加可用于进行收集的表面面积。
估计包括与第一实施例类似的装备的有效载荷需要大约1到2千瓦的功率。提供结合图1所述种类的风能-太阳能混合推进系统。估计该推进系统利用在15到25海里每小时的风中竖起的翼帆，可提供10到15海里每小时的速度，并且估计太阳能收集使得可以使用电机驱动的推进器406持续最少24小时地提供4海里每小时的平均速度。该系统能够在更高风速下提供高达25海里每小时的速度，并且用发动机航行数小时。该运载工具进一步包括制导系统，该制导系统包括具有自动定序和跟踪存储能力的GPS接收机。
图9到图11描绘了本发明的第四实施例的UOV 500。该运载工具包括封闭船身501，该封闭船身501大约4米(12英尺)长，并且在表面上的船尾502附近的最宽处为1米(3英尺)宽。该运载工具包括单个翼帆503，该翼帆503附接到船身501上，使得其可竖起，或者沿着船身的503a(如图12中的阴影所示)倾斜，或者沿船身的503b横向倾斜(如图12中所示)。翼帆的表面在至少一侧上覆盖有用于收集太阳能的光电池组件504。翼帆503的横向倾斜减少了运载工具的受风面积，同时使得既可从设置在翼帆上的电池组件504收集太阳能，也能从设置在船身的(翼帆头部和翼帆尾部的)上表面或者甲板部分上的光电池组件505收集太阳能。
内部电力驱动的有效载荷舱506设置在船身501的前部，同时后舱室包括可展开的传统构造的救生船。救生船通过按压在船身的一侧上标识有红十字的板507，或者通过其它远程装置(未示出)而展开。提供该运载工具以用于在人落水或者飞行器迫降的情况下的搜索和营救应用。可以在甲板上设置扶杆来帮助水中的人。作为用于远程消防应用或者危险物质溢出响应的另选实施例，该运载工具可以包括消防装备。
当以搜索模式操作时，设置在位于甲板前方的前甲板室中的光学、红外以及其它传感器508帮助找寻人。当这些和其它环境传感器514被这样连接到导航控制系统时，该运载工具如智能救生工具那样操作，在“人员落水”的情况下，其能够从较大船只调出，去寻找受害人并和其在一起。该智能机器人的性能可以与可能在受害者的救生工具上的活动GPS定位系统相耦合，来引导UOV到受害者的发送装置的GPS位置处。
运载工具500包括控制模块515，该控制模块515提供用于执行预编程任务的智能机器人。这使得UOV能够避开船只、执行“人员落水”营救任务、并使能量优化，例如，以环状进行航行以便通过顺流到达一点、使用突发模式通信子系统来报告反常行为等。各种用于通信目的的天线阵列509可以集成到翼帆中或者安装在船尾，如图9所示。通信系统可以包括GPS(全球定位系统)接收机，以及用于所有形式的模拟和数字通信的收发机，这些通信包括无线电、无线电话和/或蜂窝式移动电话通信。
该运载工具包括结合图1所讨论的通用类型的混合推进系统。该系统包括由电池组511供电并机械地驱动推进器512的电机510。考虑电机需要40瓦来驱动推进器以达到3海里每小时的典型巡航航速。提供压载舱516来增加稳定性。应该理解巡航速度受到可再生能量以及任何可用的储存能量的限制。
本实施例的控制模块进一步包括电力管理系统来持续地为电子支撑控制、监视和通信需求提供大约40到200瓦的功率。估计当单独用太阳能操作时，该运载工具将能够操作54小时，并且行驶接近160海里的毗连巡航范围。在有利的天气条件下，阳光和风都是可用的，UOV在不定向巡航速度(loiter speed)下具有几乎无限的能量供给。
图13描绘了适于运载工具的任何实施例的指挥、控制和通信系统600。该系统包括处理单元或者CPU 601，该处理单元或者CPU 601连接到具有执行控制程序603的只读存储器ROM 602，并且连接到具有数据记录区域605的随机存取存储器RAM 604。基于计算机的系统600控制该运载工具的各方面，包括通过导航控制系统606进行掌舵和导航；通过电力管理系统608进行电力消耗和分布管理；通过推进控制系统609对推进系统607进行管理；通过运载工具控制系统601进行航程规划和执行；以及通过有效载荷/传感器控制系统612对各种变化的有效载荷及传感器611(如上所述)进行控制和数据收集。通信控制系统613具有针对各种通信收发机615(如上所述)的通信接口614。
设置用户接口617用于根据需要维护和/或更新控制模块。设置执行控制程序603，以协调辅助系统的活动以便遵照任务计划、保持对情况的获悉、执行避免碰撞的操纵、在恶劣天气、事故或者人员干扰的情况下防护运载工具、传输传感器收集的数据和信息，以及与运载工具之间针对运载工具状态报告和远程控制或者再分配进行通信。
考虑到以使用可再生能量为特征(即，非地球、非矿物燃料提供动力)的混合推进系统的操作，该系统可以以几种不同的模式操作，其中包括
1、仅使用风能(直航)
2、使用风能和电再生(“再生航行”)，即，风推进的运载工具运动，其提供了流体动力能量来旋转推进器，驱动电机生成电力。
3、使用波浪能(当在预定位置不定向巡航时)；以及
4、单独使用或者与上述1到3相结合使用太阳能。其它提出的可再生能源包括利用温差、洋流、盐度(使用海水作为电池或者燃料电池组件的一部分)、磁力、离子、从卫星上的反射镜进行激光再充电、以及允许运载工具可在无地球动力源的情况下基本无限期地停留在海上的其它可再生能源。UOV的网络可以布置成各种覆盖模式，包括侦察、集群、蜂巢(hive)、鱼群(school)、直线、栅格、随机网络、周长、Chi模式等。
工业应用
根据本发明的优选实施例构造的，利用现有传感器和仪器的UOV能够完成目前通过(相对少)人员操作的船只进行的工作，但却相当大地减少了成本。该UOV补充了已经在卫星和航空成像和感测中实现的发展。该UOV还提供一种移动且自供动力的平台，该平台将提供战争、勘测、科研和现场监控所需的停留时间。该UOV将能够使用诸如太阳能和风能的可再生能量，出航长达数年的延长时段而无需加油或维护。
可将本发明的UOV构造成用于下列功能
·长期巡逻；
·地球同步浮标功能；
·目标拦截；
·秘密/隐秘操作；
·情报收集；
·水和空气的污染、走私非法行为的检测；
·电磁波传输的截获；
·探测；
·监视；
·水雷战(使水雷失效或者对水雷的部署)
·对躲避攻击而泊入海湾的船只的保护；
·海上营救和救援；
·水下救援；以及
·水下监视。
应该理解，已经提供的上述实施例仅是本发明的示例，并且对于本领域技术人员而言显而易见的其进一步的修改和改进应被视为落入随后的权利要求所限定的本发明的广泛范围和领域内。
权利要求
1、一种无人值守海洋运载工具，用于在水体表面之上或者之下进行操作，所述运载工具包括
·具有有效载荷舱的封闭船身；
·具有能力收集装置和能量存储装置的混合推进系统，其适于至少利用太阳能和风能；
·用于检测预定环境参数的多个传感器；以及
·通信系统，用于将来自所述传感器的关于选定环境参数的数据发送到一个或更多个远程站和/或协同操作的海洋运载工具，并用于从所述一个或更多个远程站和/或协同操作的海洋运载工具接收命令信号。
2、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述船身的外部结构具有水生动物的通常外观。
3、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述封闭船身适于促进所述运载工具选择性地在水面之上或者之下操作。
4、根据权利要求3所述的无人值守海洋运载工具，其中，船体包括用于使所述运载工具选择性下沉和上浮的压载舱。
5、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述混合推进系统包括翼帆，所述翼帆具有用于利用风能推进所述运载工具的翼型结构，并具有设置在所述翼帆的表面上的太阳能收集器。
6、根据权利要求5所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述翼帆可以沿着所述运载工具的船身下降到一倾斜位置，以便减少阻力同时继续收集太阳能。
7、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述能量存储装置包括与太阳能收集器耦合的诸如电池或者电容器的储电电池组件。
8、根据权利要求7所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述混合推进系统包括与流体驱动元件机械耦合的电机构，其中，在电机模式下，可以由所述储电电池组件对电机构供电以驱动所述流体驱动元件，或者另选地，在发电机模式下，可以由所述驱动元件通过波浪作用、水流或者在再生航行过程中驱动所述电机构来对所述储电电池组件进行充电。
9、根据权利要求7或8所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述电容器或者诸如流体蓄电池的其它快速能量释放设备为所述运载工具提供短程疾速能力。
10、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述有效载荷舱是内部动力驱动的，以便承载对用于海洋学或者军事应用的环境传感器进行支撑的电子装备、用于搜索和营救的救生或者消防装备、和/或涉及期望的运载工具操作的武器。
11、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述环境传感器可以包括从具有下列装置的组中选出的传感器
风速表，
风向标，
雷达，
无线电频率截获器，
光波段传感器，
红外波段传感器，
化学/生物传感器，
洋流传感器，
声敏元件，以及
深海测量传感器。
12、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述通信系统可以包括全球定位系统发送机和/或接收机、LFB/SWB/海用频段接收机、宽频段接收机和卫星接收机，以及适合的天线阵列。
13、根据权利要求12所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述天线阵列包括可展开天线阵列，该可展开天线阵列适于当接收从极低频段到超高频段的范围中的信号时进行拖拉操作，并且其能够在这些频段中进行发送和接收。
14、根据权利要求2所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述运载工具能够利用所存储的能量，延长时段地潜入水面以下，来避开船只、风暴或者进行秘密行动。
15、根据权利要求2所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述混合推进系统进一步包括用于诸如排空压载舱的紧急应用的燃料电池组件，以在延长时段的潜水操作之后浮出水面。
16、根据权利要求1所述的无人值守海洋运载工具，其中，所述混合能量推进系统除了利用风能和太阳能之外，还可利用包括以下的只要可再生的能源
波浪能；
温差；以及
海水激活型电池或者燃料电池组件。
全文摘要
一种海用的无人值守、自控、水运运载工具(500)，在一方面能够在水体表面之上和之下操作，所述运载工具包括具有有效载荷舱(506)的封闭船身(501)；混合推进系统(100)，具有合适地采用覆盖有光电池组件的翼帆(503)形式的能量收集装置(504，505)和适于至少利用太阳能和风能的能量存储装置(511)；用于检测预定环境参数的多个传感器(508，514)；以及通信系统(509，515)，用于将来自所述传感器的关于选定环境参数的数据发送到一个或更多个远程站和/或协同操作的运载工具，并且用于从所述一个或更多个远程站和/或协同操作的运载工具接收命令信号。
文档编号B63G8/00GK1829629SQ20048002188
公开日2006年9月6日 申请日期2004年7月30日 优先权日2003年7月31日
发明者罗伯特·A·达内, 爱德华·佩恩·基尔伯恩 申请人:日光水手有限公司