本实用新型适用于船舶制造领域，尤其涉及一种无人帆船动力及转向装置。
背景技术：
现实水域具有复杂的风场及难以预测的洋流，这些因素对于现有的仅仅依靠风帆及舵来进行船只操控的传统帆船来说是一个巨大的挑战，传统帆船在现实环境中往往具有较低的操作性。例如，传统帆船在低速下，转向困难，在风力不足或逆风条件下，帆船会因动力不足或转向方向与实际风向相悖而难以转向，且在转向过程中会耗费大量时间，能源有效性很低，甚至在某些情况下，帆船的运动会因障碍物的存在而受到影响，不能及时有效地改变航向；另外，传统帆船的转向精度很低，其在转向中由于受复杂风场及洋流的影响，转向的角度难以精确控制，尤其在无人帆船的航向控制中，往往需多次调整航向来实现沿预定航线行进的目标。
目前，无人帆船在海洋环境监测、远洋资源勘探等多个方面都发挥着重要的作用。但是，由上述可知，现有的无人帆船存在转向性弱、操作的机动性低、精确度低的问题。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种无人帆船动力及转向装置，旨在解决现有的帆船转向性弱，操作的机动性低、精确度低的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型专利提供了一种无人帆船动力及转向装置，所述装置包括用于协同控制以提供无人帆船的推进及转向动力的帆控系统、舵控系统、电机系统和中心控制器，且所述装置还包括蓄电池、太阳能电池板以及稳向板；
所述帆控系统包括风力传感器、帆、帆绳、桅杆、帆控舵机和升降器；其中，所述帆绳通过穿过帆以使所述帆连接于所述桅杆上，所述升降器用于控制所述帆的升降，所述帆控舵机用于与所述帆绳共同作用，以控制所述帆的帆向，所述风力传感器位于所述桅杆顶端，用于测量风速、风向和风强；所述帆控舵机、升降器与风力传感器分别与所述中心控制器连接；
所述舵控系统包括舵板和舵控舵机；其中，所述舵控舵机用于控制所述舵板以实现转向，所述舵控舵机与所述中心控制器连接；
所述电机系统包括推进电机及电调；其中，所述推进电机位于船体的底部，且位于船体的尾部、在所述舵板之前，所述电调位于船体上，并与中心控制器相连，用于控制所述推进电机的转速与转向，所述电调为双向电调，可控制所述推进电机进行双向转动；且所述电机系统还用于将所述帆船前行时，海水带动所述推进电机转动而产生的机械能转化为电能储备至所述蓄电池中；
所述中心控制器用于控制所述帆控系统、舵控系统、电机系统采用不同的工作模式协同工作；所述太阳能电池板装置于所述帆上，并与所述蓄电池并连。
所述稳向板装载在所述船体底部的中心位置，且所述稳向板在垂直于船首的方向上可实现转动，以便在帆船转向时实现重心内移而利于转向。
进一步地，所述帆为软帆；
进一步地，太阳能电池板为柔性太阳能电池板。
进一步地，所述中心控制器包括数据处理器及惯性测量单元。
进一步地，所述装置还包括摄像头；所述摄像头位于所述桅杆顶端，用于拍摄当前的海况数据，并将海况数据发送至所述中心控制器，且所述摄像头可与远程操作中心远程连接，以便在紧急情况下为远程操作中心提供排障、导航及控制支持。
进一步地，所述推进电机通过可转动支架固定于船体底部，并用绝缘胶进行加固，所述支架转动时带动所述推进电机转向，以改变推进力的方向。
进一步地，所述装置还包括电流电压测量仪；所述电流电压测量仪，用于按照预设的时间周期统计所述帆船各传感器及舵机电机的电流/电压数据，并将所述电流/电压数据发送至所述中心控制器，以便所述中心控制器进行能耗管理。以便得到实时的全船能耗分布。
进一步地，所述装置还包括声呐传感器；所述声呐传感器设置在所述船体底部，用于探测障碍物，并将探测结果发送至所述中心控制器。
进一步地，所述船体采用双体船舱结构，以便提高无人帆船的稳定性。
进一步地，所述推进电机为直流电机或交流电机。
本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：
本实用新型提供了一种无人帆船动力及转向装置，该装置所包括的帆控系统、舵控系统、电机系统和中心控制器，通过协同控制以提供无人帆船的推进及转向动力，且电机系统的推进电机位于船体底部，通过中心控制器可灵活控制推进电机、帆以及舵板等进行调整，使得无人帆船具有更高的机动性和操控性，从而提高了帆船转向时的工作效率，解决了传统帆船转向性弱、操作的机动性低、精确度低的问题。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种无人帆船动力及转向装置的整体侧面示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种无人帆船动力及转向装置的俯视图；
图3是本实用新型实施例提供的一种无人帆船动力及转向装置的仰视图；
图4是本实用新型实施例提供的一种无人帆船动力及转向装置的船舱的左船体剖视图和右船体剖视图；
图5是本实用新型实施例提供的一种无人帆船动力及转向装置的后视图；
图6是本实用新型实施例提供的一种无人帆船动力及转向装置的航行模式示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
作为本实用新型的第一个实施例，如图1至图5所示，本实用新型提供的一种无人帆船动力及转向装置，该装置主要包括用于协同控制以提供无人帆船的推进及转向动力的帆控系统、舵控系统、电机系统和中心控制器13。其中，帆控系统包括风力传感器1、帆(本实施例中包括前帆2和后帆3)、帆绳(图中未显示)、桅杆8、帆控舵机14和升降器9；舵控系统包括舵板(本实施例中包括左舵板7和右舵板17)和舵控舵机15，还包括传动杆10；电机系统包括推进电机(本实施例中包括左推进电机6和右推进电机16，左推进电机6和右推进电机16分别位于船体4底部的左右两侧)以及电调11。另外，本实用新型提供的一种无人帆船动力及转向装置还包括船体4、稳向板5、蓄电池12、声呐传感器(图中未显示)、太阳能电池板(图中未显示)、电流电压测量仪(图中未显示)、摄像头23等。
帆绳通过穿过帆(前帆2和后帆3)以使帆连接于桅杆8上，升降器9用于控制帆的升降，帆控舵机14用于与帆绳共同作用，以控制帆的帆向。风力传感器11位于桅杆8的顶端，用于测量风速、风向和风强。帆控舵机14、升降器9与风力传感器11分别与中心控制器13连接。舵控舵机15用于控制舵板(左舵板7和右舵板17)以实现转向，舵控舵机15与中心控制器13连接。电调11位于船体4上，并与中心控制器13相连，用于控制推进电机的转速与转向。另外，蓄电池12、中心控制器13、帆控舵机14与舵控舵机15均安装在船体4上，稳向板5装载于船体4底部的中心位置。
本实施例所提供的推进电机(左推进电机6和右推进电机16)位于船体4的底部，且位于船体4的尾部、在舵板之前(如左舵板7位于左推进电机6靠船尾端的一侧，右舵板17位于右推进电机16靠船尾端的一侧)。另外，现有的一些帆船是将发动机(即螺旋桨或推进电机)集成在舵板上，这样会造成舵板阻力大、以及增加舵的总量会造成的影响舵板周边水流的正确流向，降低帆船的转向效率的问题。而本实施例所提供的装置将推进电机设置于船体的底部，并且与舵板分离，从而降低了舵板在转向时的阻力，使得舵的灵活性更高，提高了舵的转向效率，从而避免了前述问题。
本实施例所提供的电机系统具有双向推动储能功能，用于在无人帆船进行主动电力推动时，推进电机系统根据相关指令运转。电调11为双向电调，可控制推进电机进行双向转动；并在无人帆船不进行主动电力推动时，将帆船前行时，海水带动推进电机叶片转动而产生的机械能转化为电能储备至蓄电池12，从而大大的提高了无人帆船的续航能力，避免了传统帆船过于依赖风能作为唯一动力的限制，同时也避免了以电力作为辅助动力的传统帆船所提供的船载电池电力有限的问题。
中心控制器13包括数据处理器及惯性测量单元，数据处理器为各类微型单片机或微型电脑。中心控制器13用于基于PID(比例(proportion)、积分(integral)、导数(derivative))算法与模糊控制方法，根据风力传感器与惯性测量单元所获取的数据，生成相应的控制指令，以控制帆控系统、舵控系统和电机系统采用不同的工作模式协同工作。中心控制器13相当于控制中枢，惯性测量单元是一个传感器，用来测量船的运动姿态(加速度、角速度等物理量)，数据传输到数据处理器后可以解析出帆船在地球坐标系下空间中的姿态角。
本实施例所提供的装置，帆为软帆，且在帆上设置有柔性太阳能电池板，该太阳能电池板与蓄电池并接，通过将太阳能转化成电能，从而为无人帆船提供一部分电力动能，更加提高了帆船的续航能力。柔性太阳能电池板使得帆的功能得到扩充，除了作为基本的风能驱动载体外，还充当了太阳能板，充分储存太阳能，在需要的情况下，可向中心控制器供电。柔性太阳能电池板与蓄电池的功能一致，为帆船的控制系统供电，其无限可再生无污染的特性减小了蓄电池的供电压力。
另外，船体4底部的中心位置装载有稳向板5，稳向板5可实现在垂直于船首的方向上转动，以便在帆船转向时，稳向板5可转动至船体4转向方向的内侧，以内移重心，从而利于转向。
声呐传感器设置在船体4的底部，用于探测障碍物，并将探测结果发送至中心控制器13(如提前发出遇障转向的预警)，以便在帆船航行过程中，声呐传感器实时回传海底障碍物探测情况，为暗礁等可能造成的威胁提供提前预警，帮助中心控制器能够下达提前转向的指令。
另外，本实施例多提供的装置，在船体4上还增设有电流电压测量仪，该电流电压测量仪用于按照预设的时间周期统计帆船各部件或各模块(主要是统计各传感器及舵机电机)的电流/电压数据，并将电流/电压数据实时发送至中心控制器13，以便中心控制器13实时掌握全船的能耗分布并进行能耗管理。中心控制器13中的数据处理器根据该实时传输的电流/电压数据建立数学模型，从而进行耗能最优化管理。
本实施例所提供的无人帆船动力及转向装置还包括摄像头23。该摄像头23可设置于桅杆顶端，用于拍摄当前航行时的海况数据，并将海况数据发送至中心控制器13保存。且摄像头23可实现与远程操作中心进行远程连接。在紧急情况下，摄像头23与远程操作中心建立连接，以便远程操作中心可以远程查看该摄像头23拍摄的海况数据，则远程操作中心可根据当前拍摄的实时海况数据进行排障、导航及控制等操作，因此摄像头23为远程控制中心的远程操作提供了有利的支持。
同时，本实施例提供的装置，推进电机通过可转动支架固定于船体4的底部，并用绝缘胶进行防水密封性加固，且可转动支架在转动时，能够带动推进电机转向，从而改变推进电机的推进方向。因此，推进电机能够在帆船转弯的时候快速、灵活的改变推进方向，从而大大的提高了无人帆船的转弯效率。船体4采用双体船舱结构，以便提高无人帆船的稳定性。推进电机为直流电机或交流电机。
综上所述，本实用新型实施例所提供的装置，其帆控系统、舵控系统、电机系统和中心控制器的整体结构设计，通过协同控制以提供无人帆船的推进及转向动力，且电机系统的推进电机位于船体底部，通过中心控制器可灵活控制推进电机、帆以及舵板等进行调整，使得无人帆船具有更高的机动性和操控性，从而提高了帆船转向时的工作效率，解决了传统帆船转向性弱、操作的机动性低、精确度低的问题。且该装置通过采用风、电、太阳能三者混合的混合动力系统，电机系统具有双向推动储能功能，大大提高了无人帆船的续航能力，更加适用于远洋帆船。
作为本实用新型的第二个实施例，如图1至图6所示，本实施例是在第一个实施例的基础上，对本实施例提供的无人帆船动力及转向装置的多种航行模式或工作状态进行的详细设计。中心控制器13预设有多种航行模式。
(1)模式一，当无人帆船处于正常顺风(如图6中22所示)航行时：
推进电机和电调11均处于关闭状态，中心控制器13用于控制无人帆船以“之”字形走法(如图6所示)沿预设航向行驶；风力传感器1用于将探测到的风向与风速数据发送至中心控制器13；中心控制器13用于定位无人帆船当前的位置数据，并根据模糊控制方法和PID算法、接收的风向与风速数据、以及当前的位置数据，调整帆控舵机14和舵控舵机15，以改变前帆2、后帆3、左舵板7以及右舵板17的角度，以使帆船沿直线航行；
若中心控制器13定位到船体4偏离预设航线达到预设程度时(如“之”字形走法的第一拐点)，则中心控制器13控制舵控舵机15改变左舵板7的角度，以使船体4向左转向，然后使帆船沿直线航行；中心控制器13或用于控制帆控舵机14改变右舵板17的角度，以使船体4向右转向，然后使帆船沿直线航行；同时，中心控制器13还会在帆船直线航行时把左推进电机6和右推进电机16产生的机械能转化为电能储存至蓄电池12。
(2)模式二，当无人帆船处于正常逆风(如图6中20所示)航行模式时：
中心控制器13用于控制无人帆船以“之”字形走法沿预设航向行驶；若沿直线航行，则所述中心控制器13用于控制所述无人帆船按照所述模式一(正常顺风航行模式)行驶；
若无人帆船需要转向时，则中心控制器13用于根据模糊控制方法和PID算法、接收的风向与风速数据、以及当前的位置数据，调整帆控舵机14以改变前帆2和后帆3(以使船体4受风力影响最小)，调整舵控舵机15以改变舵板7的角度，以使所述无人帆船向左转/右转；
当风力传感器1接收到风力较强(超过某预设阈值)时，开启电调11继而开启左推进器6与右推进器16，其中右推进器16速度二倍于左推进器6，使无人帆船迅速转向；当所述风力传感器1探测到的风力强度正常(在某预设强度范围内)时，中心控制器13用于开启电调11、右推进电机16；以使无人帆船实现高效转向。
该模式二将反复执行，直至中心控制装置13给出指令退出逆风模式。
(3)模式三，当所述无人帆船处于正常横风(如图6中21所示)航行模式时：
若中心控制器13监测到船体4的姿态正常，则所述中心控制器13控制所述无人帆船按照所述正常顺风航行模式(即模式一)行驶；
若中心控制器13监测到船体4的姿态异常(如风力过大时)，根据船首定位数据与风力传感器1所收到的数据，中心控制装置13调整升降器9，降下前帆2后帆3，使船体4几乎不受受风力影响。当无人帆船需要转向时，如“之”字型走法第一个拐点，调整舵控舵机15以改变左舵板7以及右舵板17角度，并开启电调11继而开启右推进器16，使混合动力帆船能够有效地沿预设航线19行驶。
(4)模式四，当无人帆船处于无风模式时：
当需要紧急执行任务但风力传感器9检测到无风时，中心控制器13切换至电力驱动模式，结合模糊控制和PID算法，使无人帆船能够有效地沿预设航线行驶。
(5)模式五，当无人帆船处于紧急模式时：
如被礁石卡住，或被障碍物包围，中心控制器13检测到船体4长时间无移动时，中心控制器13自动连接远程控制中心，切换入人工控制模式，根据远程控制中心发送的控制信号控制所述无人帆船进行相应的调整，远程调节推进器6和舵板7以摆脱障碍。
(6)模式六，当所述无人帆船处于紧急模式时：
若中心控制器13监测到船首角度处于逆风不可行域时，则中心控制器13用于打开左推进电机6与舵控舵机15，并控制调整舵板7以改变船首方向，以使所述无人帆船驶出所述逆风不可行域。
综上所述，本实用新型第二实施例所提供的无人帆船动力及转向装置，降低了帆船的操作难度，提高了帆船行驶的机动性与精准性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。