本发明涉及一种远程双体无人船，特别是涉及一种风力驱动直翼推进器远程遥控无人船，是利用风力驱动船舶进行远程航行的双体无人船。
背景技术：
在现阶段海洋研究与开发过程中，无人船凭借其低廉的运营成本和灵活的任务处理模式受到人们广泛的青睐。但由于现阶段技术的限制，无人船也逐渐在愈发复杂的任务环境中暴露出其局限性，这其中以续航力方面的短板最为突出。因此找到一种可以延长无人船航程的技术手段对于无人船的应用和开发具有现实意义。
市面上主流的无人船多采用电动机或内燃机作为无人船的主机，并通过消耗船体内携带的蓄电池或燃料来驱动无人船航行。由此可见，现阶段无人船的航程极大程度上取决于蓄电池或燃料的储备情况。然而，无人船有限的主尺度注定了其无法通过增大能源储备来延长续航性。在这种情况下，业内的工程人员想到了利用太阳能发电和波浪力推动两种形式为无人船提供动力，但又因为波浪力相对较低的能量密度，太阳能发电极易受到天气条件影响，并在转换电能过程中有所损失，所以对于无人船续航力的作用并不理想。综上所述，为提高无人船的续航力，如何利用自然资源作为无人船能量来源并同时规避自然能源的局限性具有重要技术价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于利用风力直接驱动无人船推进器旋转推动无人船航行，并通过船体上安装的太阳能电池板及风力发电机对随船携带蓄电池充电进而作为储备能源，从而实现无人船在理论上的无限续航力，最大限度的提高双体无人船的航程。
本发明通过以下技术手段实现：
一种风力驱动直翼推进器远程遥控无人船，包括框架结构、升力型垂直轴风轮、船舶片体、螺旋桨推进器、变速箱、传动轴、直翼推进器、太阳能电池板、蓄电池、风光互补控制器和控制设备；
所述框架结构包括纵桁、肋骨和纵骨；多根纵骨纵向间隔设置在纵桁的两侧，多根肋骨横向间隔设置，与纵桁和纵骨连接，形成网格结构，多块太阳能电池板设置在网格上；两个船舶片体间隔设置在框架结构两端下部；
所述升力型垂直轴风轮主要由多块升力型叶片、多块连接板、风力发电机和旋转主轴组成；旋转主轴竖向设置在纵桁的中部上端，多块升力型叶片以旋转主轴为中心线，沿周向竖直间隔设置，每块升力型叶片的上下两端均与连接板的外端连接，连接板的内端与旋转主轴连接；连接板为内端小外端大的翼型结构；旋转主轴穿过风力发电机向下延伸至变速箱输入端；变速箱的输出端与传动轴前端相连，传动轴后端与直翼推进器输入端相连；传动轴设置在纵桁的下端；框架结构上设有风光互补控制器和控制设备；
所述船舶片体包括船体、至少一道纵舱壁，多道横舱壁和一层内底甲板，船体形成空腔，空腔内设置有至少一道纵舱壁、多道横舱壁和一层内底甲板；多道横舱壁间隔设置，与纵舱壁连接，纵舱壁和多道横舱壁设置在内底甲板上，将内底甲板上表面区域划分网状区域，网状区域内放置有多个蓄电池；每个船舶片体尾部下端安装有一部螺旋桨推进器；
多块太阳能电池板并联后与风力发电机分别与风光互补控制器输入端连接，风光互补控制器输出与蓄电池连接，蓄电池分别与控制设备、螺旋桨推进器和直翼推进器的伺服电机连接。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述内底甲板、纵舱壁和横舱壁由玻璃钢材料制成，厚度为1cm。
优选地，所述控制设备及风光互补控制器设置在控制箱内；控制箱设置在纵桁尾部上端，纵桁尾部下端设有直翼推进器。
优选地，所述升力型叶片为5片；升力型叶片上下两端均与连接板外端通过螺丝连接，连接板内侧与旋转主轴焊接。
优选地，所述升力型叶片由玻璃钢材料制成，选用naca0018翼型，弦长为30cm，翼展为3m；所述连接板由铝合金材料制成，长度为2.1m，厚度为2cm。
优选地，所述传动轴采用不锈钢板材料制成，直径为5cm，长为2.7m；所述变速箱的变速比为1:5，变速箱前后两端分别与纵桁焊接在一起。
优选地，所述旋转主轴、纵桁、纵骨和肋骨都由铝合金材料制成；所述旋转主轴的直径为5cm，长度为2.4m。
优选地，所述直翼推进器选用zydj—1型直翼推进器；所述风力发电机选用发电驱动两用电机，发电功率为1kw。
优选地，所述太阳能电池板选用300w光伏发电板；所述控制设备选取arm嵌入式开发控制板tms320c6657，其上整合有华为me909s‐120minipcie4g无线通信模块；所述风光互补控制器选用jw1230风光互补控制器。
优选地，所述纵舱壁为一道；所述纵桁优选为两条，平行间隔设置；两船舶片体通过螺丝固定于纵骨和纵桁的两端。
综上所述，本发明具有如下技术优势：
1)可从自然界获取相对稳定的能源补充，具有更大的续航力。本发明中所述的风动力远程无人船，选用风能和太阳能的能源组合形式，作为人类长久以来一直在海上所使用的能源，风能可以保证无人船在绝大多数气候和地理条件下获得相对稳定的能量来源，而太阳能作为一种能源的补充，可以在优良的气象条件下为无人船提供更多可利用的能源，进一步扩大无人船的续航力。
2)利用风力带动升力型垂直轴风轮进而直接驱动直翼推进器，可以获得更高的能量利用效率。在日常巡航状态下，本发明中所述风动力远程无人船通过其上安装的升力型垂直轴风轮捕获海面上的风并将其直接转化为旋转的机械能，这部分能量会通过升力型垂直轴风轮旋转主轴，变速齿轮箱，传动轴构成的机械结构直接传递给直翼推进器，进而带动无人船航行。相比于之前利用风力发电对蓄电池充电而后利用储存电能进行驱动的形式，直接利用风力进行驱动可以避免风力在发电、充电和放电过程中的损失，最大限度的将升力型垂直轴风轮所转化的风能应用于推进，进而提高对风能的利用率。
3)可以在一定程度上减小升力型垂直轴风轮的迎风阻力对无人船航行的影响。本发明所述的风动力远程无人船在巡航时直接利用风力来驱动，在迎风航行的情况下，升力型垂直轴风轮所受到的迎风阻力会被直翼推进器产生的推进力抵消掉一部分，而直翼推进器产生的推进力本身也同样来自风能，因此在减小迎风阻力的过程中不会消耗无人船自身的能量，并且在螺旋桨推进器的配合下可以保证稳定的航速。
4)设计余量大，任务适配性好，可满足多样化用户需求。根据设计参数，在设计水线情况下，去除掉风动力远程无人船自身的重量，还可提供近一吨的有效载荷，因此在实际应用过程中，可以根据实际需要在船体上灵活安装多样化任务模块和执行设备，并对控制箱内的控制设备进行相应更换，使本发明所述的风动力远程无人船可以胜任不同的任务，提高其任务适配性能。
5)储备余量大，应急避险能力有显著提高。首先本发明所述的风动力远程无人船采用两套独立的推进设备，即直翼推进器和螺旋桨推进器。两套推进设备分别由升力型垂直轴风轮和蓄电池驱动，因此在其中一套推进设备出现故障时仍可以利用另一套推进设备返回出发地。并且在仅利用船体内所携带的蓄电池的储存电能的情况下，利用螺旋桨推进器的风动力远程无人船仍可以航行180海里左右，因此即使在极端条件下，本发明所述的风动力远程无人船仍然具有强大的生命力，可以安全的返航，减少不必要的损失。
6)采用直翼推进器是风动力远程无人船具有更加的优良的操纵性。现阶段，各种船舶多采用船舵作为主要的操纵设备，但由于其工作原理所限，在低航速下，舵叶仅能产生很小的转向力矩，因此船舵在低航速下的操纵效果会大打折扣。而采用直翼推进器的情况下，可以通过调节直翼推进器叶片的攻角改变推进力的方向进而直接使船体转向，并且直翼推进器所产生的推力大小仅与其自身的旋转角速度有关，而与船舶航速无关，因此即使在低航速下，直翼推进器也可以提供稳定可观的推进力和转向力矩。本发明中所述的风动力远程无人船的最大设计航速为4.5节，由此可知在本发明所涉及的情况下，直翼推进器更具优势。
7)在更低的成本下，完成一定的远距离无人船操控。通过无人船控制主板上集成的4g通信模块，操控人员可以利用4g信号完成对无人船的操控和与无人船之间的数据传输，在这一过程中，可以借助现有移动运营商在海岛及沿海地区建设的地面基站作为控制及数据传输信号的中继，延伸对无人船的控制距离，并降低为实现无人船远程控制的相关花费。
8)采用模块化设计思想，便于制造、使用和维护。本发明所述的风动力远程无人船自身是一由不同功能模块拼接而成的船体平台，各部分相对独立，各自发挥其作用。与此同时，各模块均由简单标准化零件组合而成，因此便于大规模制造和维修更换。
附图说明
图1是风力驱动直翼推进器远程遥控无人船的结构示意图。
图2是图1风力驱动直翼推进器远程遥控无人船的俯视图。
图3是图1中船舶片体内部布置图。
图4是图1中升力型垂直轴风轮结构示意图。
图5是风力驱动直翼推进器远程遥控无人船的能量分配图。
图中示出：升力型垂直轴风轮1，船舶片体2，螺旋桨推进器3，变速箱4，传动轴5，直翼推进器6，纵桁7，控制箱8，肋骨9，纵骨10，太阳能电池板11，纵舱壁12，横舱壁13，蓄电池14，内底甲板15，升力型叶片16，连接板17，风力发电机18，旋转主轴19，风光互补控制器20，控制设备21。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
如图1、2、3、4、5所示，一种风力驱动直翼推进器远程遥控无人船，包括框架结构、升力型垂直轴风轮1、船舶片体2、螺旋桨推进器3、变速箱4、传动轴5、直翼推进器6、太阳能电池板11、蓄电池14、风光互补控制器20和控制设备21；
如图2所示，框架结构包括纵桁7、肋骨9和纵骨10；多根纵骨10纵向间隔设置在纵桁7的两侧，多根肋骨9横向间隔设置，与纵桁7和纵骨10连接，形成网格结构，多块太阳能电池板11设置在网格上；两个船舶片体2间隔设置在框架结构两端下部；
如图4所示，升力型垂直轴风轮1主要由多块升力型叶片16、多块连接板17、风力发电机18和旋转主轴19组成；旋转主轴19竖向设置在纵桁7的中部上端，多块升力型叶片16以旋转主轴19为中心线，沿周向竖直间隔设置，每块升力型叶片16的上下两端均与连接板17的外端连接，连接板17的内端与旋转主轴19连接；连接板17为内端小外端大的翼型结构；旋转主轴19穿过风力发电机18向下延伸至变速箱4输入端；变速箱4的输出端与传动轴5前端相连，传动轴5后端与直翼推进器6输入端相连；传动轴5设置在纵桁7的下端；框架结构上设有风光互补控制器20和控制设备21；
如图3所示，船舶片体2包括船体、至少一道纵舱壁12，多道横舱壁13和一层内底甲板15，船体形成空腔，空腔内设置有至少一道纵舱壁12，多道横舱壁13和一层内底甲板15；多道横舱壁13间隔设置，与纵舱壁12连接，纵舱壁12和多道横舱壁13设置在内底甲板15上，将内底甲板15上表面区域划分网状区域，网状区域内放置有多个蓄电池14；船舶片体2尾部下端安装有两部螺旋桨推进器3；
多块太阳能电池板11并联后与风力发电机18分别与风光互补控制器20输入端连接，风光互补控制器20输出与蓄电池14连接，蓄电池14分别与控制设备21、螺旋桨推进器3和直翼推进器6的伺服电机连接。
优先地，船舶片体2由玻璃钢材料制成，片体板厚为1cm；船舶片体2设有12个网状区域，一个船舶片体2内共承载96块蓄电池，每两块蓄电池14为一组串联在一起并与其它电池并联，进而对外输出24v直流电。螺旋桨推进器3选用圣来汐86磅推进器；内底甲板15、纵舱壁12和横舱壁13由玻璃钢材料制成，厚度为1cm，形状与船舶片体2相配合；蓄电池14选用惠迈12v100ah。
优先地，框架结构划分出12个网格状区域，供太阳能电池板11安装。两船舶片体2通过螺丝固定于纵骨10和纵桁的两端；纵桁优选为两条，平行间隔设置；框架结构中心的两条纵桁7均可以充当承重结构，位于后侧的纵桁7其尾部上端焊接有控制箱8，下端安装有直翼推进器6，控制箱8内放置有控制设备21及风光互补控制器20。
优选地，升力型叶片16为5片；优选升力型叶片16上下两端均与连接板17外端通过螺丝连接，连接板17内侧与旋转主轴19焊接。优选升力型叶片16由玻璃钢材料制成，选用naca0018翼型，弦长为30cm，翼展为3m；连接板17由铝合金材料制成，长度为2.1m，厚度为2cm，连接板17的内外两端尺寸与升力型叶片和旋转主轴19尺寸相配合；风力发电机18选用发电驱动两用电机，发电功率为1kw；旋转主轴19采用铝合金材料制成，直径为5cm，长度为2.4m。
变速箱4的变速比优选为1:5，变速箱4前后两端分别与纵桁7焊接在一起，够成船体的纵向梁结构。传动轴5采用不锈钢板材料制成，直径为5cm，长2.7m；直翼推进器6选用浙江风神海洋工程技术有限公司生产的zydj—1型直翼推进器。
纵桁7由铝合金材料制成，主尺度为2.9×0.3×0.2m；纵骨10由铝合金材料制成，主尺度为5.88×0.1×0.05m；肋骨9由铝合金材料制成，主尺度为0.89×0.05×0.03m；太阳能电池板11选用晶科能源公司生产的300w光伏发电板。
控制箱8由铝合金材料制成，主尺度为0.4×0.3×0.2m，箱体厚度为2mm，其内部所承载的控制设备21选取arm嵌入式开发控制板tms320c6657，其上整合有华为me909s‐120minipcie4g无线通信模块用于信号与数据的传输；风光互补控制器20选用德恒光电jw1230风光互补控制器。
升力型垂直轴风轮1通过旋转主轴19分别与风力发电机18和变速箱4连接；变速箱4通过传动轴5与直翼推进器6连接。太阳能电池板11共12块并联在一起与风力发电机18分别串联至风光互补控制器20输入端，风光互补控制器20输出串联至蓄电池14，蓄电池14分别与控制设备21和螺旋桨推进器3、直翼推进器6伺服电机连接，为三者者供电。
结合图5说明一种风动力远程无人船的能源分配方式。首先升力型垂直轴风轮1和太阳能电池板11从自然界获取风能和太阳能。升力型垂直轴风轮1将风能转化为旋转的机械能，机械能一部分传递给风力发电机18用于发电，另一部分传递给直翼推进器6，用于推动无人船航行。因为风力发电机18和直翼推进器6输入功率均为1kw，所以两份机械能大小相同。风力发电机18与太阳能电池板11所产生的电流一同流向风光互补控制器20，经其稳流之后流向蓄电池14进行充电。蓄电池14所储备的电能主要有三个用途：作为储备能源，在危急情况下为螺旋桨推进器3供能，帮助风动力远程无人船脱险；供给控制设备21工作所需电能；为直翼推进器6伺服电机供电，从而使直翼推进器6可以按照需求调整叶片攻角，改变推进力的方向。
下面对风动力远程无人船的航行模式进行说明。在风力条件优良的情况下，风动力远程无人船在巡航时仅通过直翼推进器6提供推进力及操纵力。风力发电机18与太阳能电池板11所产生的电能全部用于充电。
多块升力型叶片16在风中受到风的作用使升力型垂直轴风轮1旋转起来，带动套在旋转主轴19上的风力发电机18对外发电，由于风力发电机18输入功率小于升力型垂直轴风轮1的转化功率，因此经升力型叶片16转化的剩余旋转机械能会通过旋转主轴19传递至变速箱4，经变速箱4提高转速之后达到直翼推进器6的输入转速，由变速箱4输出端传递给传动轴5，进而通过传动轴5将旋转机械能传递给直翼推进器6，使其开始旋转工作推动无人船航行。
风力发电机18与太阳能电池板11所产生的电能经过风光互补控制器20整流之后完全用于对蓄电池14充电。风光互补控制器20会自动根据风力发电机18和太阳能电池板11所发出的电能情况，对输出电能进行调整，以保证输出电能的稳定。
在以下三种工况下，螺旋桨推进器开机工作。
工况一：当升力型垂直轴风轮1、变速箱4、传动轴5及直翼推进器6出现机械故障时，直翼推进器6停止工作，控制设备21输出信号使螺旋桨推进器3通电开机，此时由蓄电池14直接为螺旋桨推进器6供能使其正常工作推动无人船航行。并且控制设备21可根据其接收到的操纵信号输出控制信号使两台螺旋桨推进器3产生转速差，从而实现无人船的回转。
工况二：当遇到紧急情况时，为尽快避险，直翼推进器6在升力型垂直轴风轮1的带动下作为辅助动力为无人船提供推进力和转向力，控制设备21根据其接受到的操纵指令，输出信号使螺旋桨推进器3通电开机，在蓄电池14为其直接提供能量的情况下推动无人船快速离开危险水域。
工况三：当风动力远程无人船迎风航行时，由于直翼推进器6的推进能源直接来自于风能，因此在此时无法完成推动无人船前进工作。在此种情况下，直翼推进器6所产生的推进力用于抵消部分迎风阻力，而控制设备21会输出信号使螺旋桨推进器3通电开机，利用蓄电池14提供的电能推动无人船航行。
利用本发明中的动力形式会为风动力远程无人船带来更高的能量利用率和更加优秀的操纵性。在巡航状态下，风动力远程无人船可以通过直翼推进器6获得全部航行所需的推进力和操纵力。并且直翼推进器6所产生的推进力的大小与方向仅仅与直翼推进器6的叶片的攻角和转速有关，不随无人船的航速而发生变化。而如果采用传统的船舵操控的方式，不但使部件增多，控制和结构变得复杂，还会在低航速的情况下，由于船舵与船同速运动，导致流经船舵的水流速度较小，根据船舵操纵力与水流速度成正比的关系，此时船舵无法提供有效的操纵力矩。本发明的风动力远程无人船在巡航状态下的最大设计航速为4.5节，相对较小，因此选用直翼推进器6会获得更好的操纵效果。
考虑到利用风能来推进无人船航行，本领域技术人员很容易想到采用现有成熟的风力发电技术，利用风力发电机产生电能给蓄电池充电，再由蓄电池为推进器供电的模式来实现风能驱动无人船。在这一模式下，能量会经过以下7次转化最终变成直翼推进器旋转机械能，即风能——风轮旋转机械能——电能——化学能——电能——电动机旋转机械能——变速箱旋转机械能——直翼推进器旋转机械能。由于经过每一次转化均会产生能量的损耗，因此转化次数越多损耗越多，当然在电能传输过程中也会产生一定的线路损耗，由于其数值较小，可以忽略不计。综上可知，采用风力发电的形式来推进无人船势必会产生较大的能量损耗。
本发明利用风能直接带动推进器的模式，在此模式下能量会经过以下3次转化最终变为直翼推进器旋转机械能，即风能——风轮旋转机械能——变速箱旋转机械能——直翼推进器旋转机械能。由此可知，采用风能直接带动推进器的形式可以有效的减少能量的转化次数，从而可以减少能量由于转化而产生的损耗，获得更高的风能利用效率。
具体而言，相比于利用风力发电进而驱动无人船航行的方式，本发明的风动力远程无人船不但可以通过将风力转化为推进力，从而抵消掉在迎风航行时一部分升力型垂直轴风轮1所受到的迎风阻力，减小升力型垂直轴风轮1对无人船航行的影响，而且可以获得更高的能量利用效果。首先在风力发电的过程中，升力型垂直轴风轮1的旋转机械能无法全部为风力发电机18利用而转化为电能，在这一环节会产生大约0.05‐0.1的能量损失；由于无人船电能传输线路较短，因此忽略线路损耗，那么第二次损耗发生在向蓄电池14充电的过程中，在这一环节会产生大约0.05‐0.2的能量损失；在蓄电池14放电的过程中也同样会产生一定的电能损耗，这一环节的损耗大约维持在0.1左右；电能经由电动机产生旋转机械能会产生约0.26‐0.06的能量损耗；而变速箱会产生约为0.05‐0.1的机械传动损失，因此如果设定升力型垂直轴风轮1的旋转机械能为w，那么最终传递给推进器的能量最多为：
0.95×0.95×0.9×0.94×0.95×w＝0.725w
而如果采用本发明的推进形式，则只会在变速箱4产生最大约为0.1的机械传动损失，因此在相同情况下，推进器可以获得的能量最少为：
0.9×w＝0.9w
由此可知，采用风力直接传递给直翼推进器6进而获得推进力的方式具有更高的能量利用率。