一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船

1.本发明涉及水面无人船观测装置技术领域，尤其涉及一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船。


背景技术：

2.对广阔的海洋进行探索，只有应用水面无人船这一自动化程度高的观测设备，才能全方位、节能高效的完成信息收集测量工作。目前已经投产使用的水面无人船大多以电或燃油为能源驱动前进，由于船体所能携带的能源有一定限制，导致这些无人船的续航里程普遍不高，进行长时间大范围作业时还需要有母船补给供应，在这种观测作业的需求下，继续采用诸如此类的常规动力无人船显然是不合适的。
3.同时，水面无人船经常在不同的海况下工作，由于波浪引起的无人船垂荡、抨击等现象容易造成无人船不稳定，使无人船产生剧烈的摇晃，不仅会增加航行阻力，进一步缩短无人船的续航里程，同时还会影响船载设备的精度与正确测量。
4.而采用波浪能作为水面无人船的推进动力，可以更好的满足其长续航大范围的需要，同时也可以减少船体的摇晃，是保证其能够完成在海洋中进行资源探测、环境观测和保护海洋权益等任务的有效途径。因此，能够直接利用波浪实现推进运动的波浪能驱动无人船，并辅以部分船体内提供的动能，高效地将波浪能转化为推进无人船前进的推进力，具有重要的应用价值。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，解决了无人船的续航里程不高，进行长时间大范围作业时需要有母船补给供应等问题。
6.根据本发明提供的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，包括船体、龙骨骨架结构、控制系统、波浪前推结构和波浪后推结构，所述船体内安装有龙骨骨架结构，所述波浪前推结构安装在船体前端并与船体内部的龙骨骨架结构连接，所述波浪后推结构安装在船体尾端并与船体内部的龙骨骨架结构连接；
7.所述船体由多节中空的尼龙块拼接而成，所述尼龙块包括船头尼龙块、船头连接尼龙块、多节船身尼龙块、船尾尼龙块和船尾连接尼龙块，所述尼龙块拼接位置采用防水胶粘合，所述尼龙块套在龙骨骨架结构结构上；
8.所述龙骨骨架结构包括主龙骨架、侧龙骨架和紧固块，所述主龙骨架上等间距的设有侧贯穿孔，所述侧龙骨架从侧贯穿孔穿过并用螺栓贯穿主龙骨架和侧龙骨架将侧龙骨架固定，所述主龙骨架的前端和尾端的侧龙骨架与主龙骨架连接位置用紧固块紧固，所述波浪前推结构安装在前端紧固块的主龙骨架下方，所述波浪后推结构安装在尾端端紧固块的主龙骨架下方；
9.所述控制系统包括太阳能电池板、电池仓、控制传输单元、舵机、交换机、控制板和
气象观测监测模块，所述太阳能电池板通过充电电路与电池仓内电池电性连接，所述舵机与控制板电性连接，所述控制传输单元、气象观测监测模块均通过交换机与控制板电性连接，所述控制传输单元与岸上控制室内控制设备网络连接，所述舵机与波浪后推结构机械连接，所述气象观测监测模块包括压力传感器、摄像头、温度传感器和浮力装置，所述电池仓内电池给控制板供电。
10.在本发明的一些实施例中，所述波浪前推结构和波浪后推结构具有相同的波浪推进结构，所述波浪推进结构包括推进杆、底板、连接杆、连接杆拉簧机构和侧翼翼片,，所述推进杆底端固定在底板上表面中间位置，所述推进杆顶端设有快拆连接结构，所述连接杆中间位置设有转杆，所述连接杆转动安装在底板的后侧，所述连接杆拉簧机构包括外延杆、弹簧安装杆和拉簧，所述推进杆靠近底端位置设有外延杆，所述外延杆端部安装有下垂的弹簧安装杆，所述弹簧安装杆底端与拉簧一端连接、拉簧的另一端与转杆端部连接；
11.所述侧翼翼片,一端设有连接杆孔，所述侧翼翼片,上下面设有与连接杆孔相同的紧固卡扣，所述连接杆插入到连接杆孔内。
12.在本发明的另一些实施例中，所述快拆连接结构包括轴线贯穿的螺纹杆以及套在螺纹杆上的梯形体插块，所述主龙骨架下方设有与梯形体插块匹配的凹槽，所述梯形体插块插入到凹槽内，所述螺纹杆贯穿主龙骨架。
13.在本发明的另一些实施例中，所述波浪后推结构上的推进杆上半部贯穿有舵片轴杆，所述舵片轴杆上安装有舵片，所述舵片轴杆贯穿主龙骨架与舵机转轴连接。
14.在本发明的另一些实施例中，所述侧翼翼片,为流线型扑翼翼片，所述流线型扑翼翼片为前侧边薄、中间厚以及尾侧边薄的流线型。
15.在本发明的另一些实施例中，所述推进杆的长度为cm，所述舵片处在推进杆的中间段位置，所述舵片从与舵片轴杆安装侧到尾部宽度逐渐变窄且成流线型。
16.在本发明的另一些实施例中，所述龙骨骨架结构均采用铝合金材料制成。
17.在本发明的另一些实施例中，所述主龙骨架的中间位置设有提杆，所述提杆的顶端设有吊环，所述侧龙骨架的两端设有紧固螺栓头，所述紧固螺栓头插入到尼龙块的侧壁上并延伸到尼龙块的外部，所述紧固螺栓头上旋有紧固螺母。
18.在本发明的另一些实施例中，所述船体上表面设有防水隔板，所述太阳能电池板包括前太阳能板和后太阳能板，所述前太阳能板和后太阳能板分别安装在防水隔板前半部分和后半部分的上表面上。
19.本发明中，波浪推进的水面无人船，将波浪垂荡产生的能量转化为无人船前进的动力，同时加装的水翼能够增加船体的稳定性，可以极大的提高水面无人船的续航里程，该船质量轻，可靠性高，弥补了常规无人船续航能力不足，航行不稳定等缺点，此外本船还具有成本低、轻量化、无环境污染等优点。
附图说明
20.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
21.图1为本发明提出的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船的结构示意图。
22.图2为本发明提出的船体的结构示意图。
23.图3为本发明提出的龙骨骨架结构的结构示意图。
24.图4为本发明提出的波浪前推结构的结构示意图。
25.图5为本发明提出的波浪后推结构的结构示意图。
26.图6为本发明提出的连接杆拉簧机构位置的放大结构示意图。
27.图7为本发明提出的侧翼翼片的结构示意图。
28.图8为本发明提出的船体与龙骨架透视图的结构示意图。
29.图9为本发明提出的快拆连接结构的结构示意图。
30.图10为本发明提出的控制系统的原理示意图。
31.图中：1、船体；1-1、前太阳能板；1-2、吊环；1-3、后太阳能板；1-4、舵机；1-5、船尾尼龙块；1-6、船尾连接尼龙块；1-7、船身尼龙块；1-8、紧固螺母；1-9、船头连接尼龙块；1-10、船头尼龙块；2、龙骨骨架结构；2-1、主龙骨架；2-2、紧固块；2-3、侧龙骨架；3、波浪前推结构；3-1、快拆连接结构；3-11、梯形体插块；3-12、螺纹杆；3-2、推进杆；3-20、外延杆；3-21、底板；3-3、弹簧安装杆；3-4、拉簧；3-5、紧固卡扣；3-6、侧翼翼片；3-7、连接杆；3-70、转杆；3-8、侧翼翼片；3-81、连接杆孔；4、波浪后推结构；4-1、舵片轴杆；4-2、舵片。
32.4-3、快拆连接结构；4-4、弹簧安装杆；4-5、拉簧；4-7、侧翼翼片；3-7、连接杆；4-9、侧翼翼片。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
34.本发明提出的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，包括船体1、龙骨骨架结构、控制系统、波浪前推结构3和波浪后推结构4，所述船体1内安装有龙骨骨架结构，所述波浪前推结构安装在船体1前端并与船体1内部的龙骨骨架结构连接，所述波浪后推结构安装在船体1尾端并与船体1内部的龙骨骨架结构连接；
35.所述船体1由多节中空的尼龙块拼接而成，所述尼龙块包括船头尼龙块1-10、船头连接尼龙块1-9、多节船身尼龙块1-7、船尾尼龙块1-5和船尾连接尼龙块1-6，所述尼龙块拼接位置采用防水胶粘合，所述尼龙块套在龙骨骨架结构结构上；
36.所述龙骨骨架结构包括主龙骨架2-1、侧龙骨架2-3和紧固块2-2，所述主龙骨架2-1上等间距的设有侧贯穿孔，所述侧龙骨架2-3从侧贯穿孔穿过并用螺栓贯穿主龙骨架2-1和侧龙骨架2-3将侧龙骨架2-3固定，所述主龙骨架2-1的前端和尾端的侧龙骨架2-3与主龙骨架2-1连接位置用紧固块2-2紧固，所述波浪前推结构3安装在前端紧固块2-2的主龙骨架下方，所述波浪后推结构4安装在尾端端紧固块2-2的主龙骨架2-1下方；
37.所述控制系统包括太阳能电池板、电池仓、控制传输单元、舵机1-4、交换机、控制板和气象观测监测模块，所述太阳能电池板通过充电电路与电池仓内电池电性连接，所述舵机1-4与控制板电性连接，所述控制传输单元、气象观测监测模块均通过交换机与控制板电性连接，所述控制传输单元与岸上控制室内控制设备网络连接，所述舵机1-4与波浪后推结构机械连接，所述气象观测监测模块包括压力传感器、摄像头、温度传感器和浮力装置，所述电池仓内电池给控制板供电。
38.整套装备长度不超过2.5米，质量不超过50kg，能够实现2人操作布放下水。水上船
体主要由鱼骨状龙骨、高强度尼龙浮快、电控系统组成，其中鱼骨状龙骨可用高强度铝合金制作,高强度尼龙浮块可根据要求进行切削并依此安装于龙骨上。高强度尼龙材料，不仅能够提供浮力，还具有轻便及缓冲效果好的优点，能够有效保护船舱内部搭载的各种设备及传感器。
39.电控系统其包括有太阳能电池板、控制传输单元(图10中的网桥)、舵机pwm系统、以及气象观测系统组成，整体电控系统安放在水上船体的中间位置的密封舱中。电控系统用于控制整个船体的航向及与岸基控制站联系，将整个装置当前运行位置及相关参数、收集到的水文信息返回至岸基端口。工作时太阳能板可为船体上搭载的各类用电设备提供所需的电量并补充电池消耗。并配有备用电池，在无太阳下可以提供电能(电池仓)。
40.控制系统主要元件包括：pc上位机(岸上控制室内)、无线数传发射与接收模块(无线图像与数据传输)、交换机、gps定位系统、陀螺仪、气压计等传感器、下位机arduino单片机(stm31f103ret6单片机)。图10为原理示意图，部分电器器件并未画出，只是将主要部件画出，能够完成主要工作的原理示意图。
41.pc上位机通过岸基交换机与驱动船通过无线网络进行图像和数据传输，船体部分的交换机负责接收上位机发送的指令并传递给下位机，进行船体控制，船体部分交换机并将下位机stm32f1及摄像头的数据及图像等通过无线网络传递给上位机，显示在上位机人机交互界面，从而实现控制命令。上述控制系统为常规控制。
42.所述波浪前推结构3和波浪后推结构4具有相同的波浪推进结构，所述波浪推进结构包括推进杆3-2、底板3-21、连接杆3-7、连接杆拉簧机构和侧翼翼片3-6,3-8，所述推进杆3-2底端固定在底板3-21上表面中间位置，所述推进杆3-2顶端设有快拆连接结构3-1，所述连接杆3-7中间位置设有转杆3-70，所述连接杆3-7转动安装在底板3-21的后侧，所述连接杆拉簧机构包括外延杆3-20、弹簧安装杆3-3和拉簧3-4，所述推进杆3-2靠近底端位置设有外延杆3-20，所述外延杆3-20端部安装有下垂的弹簧安装杆3-3，所述弹簧安装杆3-3底端与拉簧3-4一端连接、拉簧3-4的另一端与转杆3-70端部连接；
43.所述侧翼翼片3-6,3-8一端设有连接杆孔3-81，所述侧翼翼片3-6,3-8上下面设有与连接杆孔3-81相同的紧固卡扣3-82，所述连接杆3-7插入到连接杆孔3-81内。
44.波浪推进结构(推进杆除外的结构)，水翼安装框架安装在推进杆3-2部件的下端，通过推进杆3-2顶端的快拆连接结构3-1与船体1内龙骨架固连，使其能够带动整个水下推进装置随船体1一同运动；所述拉簧安装于水翼安装框架后侧端的卡槽中，并与水翼转轴固定，用来被动控制水翼的旋转，防止水翼在波浪状况较为剧烈的时候运动幅度过大，翻转过度，从而无法有效产生推进力；其装置目前还在于被动调整水翼角度，以获得更好的推进效果；所述前后水翼板，通过水翼套筒(连接杆孔3-81)固定在水翼安装框架上，且均分为左右两片，能够在随波浪起伏时获取波浪能，产生向前的推进力推动装置前进。
45.为了防止水翼偏转过大，导致推进性能下降，甚至完全偏转无法产生推进力等，需要对水翼的旋转运动进行约束。这一过程通过弹簧限位机构实现，其通过将弹簧固定在中轴连接轴上，在转动时限制扑翼角度。当水翼向上或向下偏转时，由于扭簧的存在，水翼的转动收到一定限制，不至于瞬间偏转过度从而影响推进效果。由于海面的波浪作用，波浪无人船会一直重复以上工作流程，并实现无耗能的自主前进运动。
46.所述快拆连接结构3-1包括轴线贯穿的螺纹杆3-12以及套在螺纹杆3-12上的梯形
体插块3-11，所述主龙骨架2-1下方设有与梯形体插块3-11匹配的凹槽，所述梯形体插块3-11插入到凹槽内，所述螺纹杆3-12贯穿主龙骨架2-1。
47.快拆结构主要为中心固结长螺杆及缓斜度梯形体凸块-凸槽耦合设计，其在凸块与凹槽耦合后，可牢固限制连接杆的平面位移、旋转自由度。
48.所述波浪后推结构4上的推进杆3-2上半部贯穿有舵片轴杆4-1，所述舵片轴杆4-1上安装有舵片4-2，所述舵片轴杆4-1贯穿主龙骨架2-1与舵机1-4转轴连接。舵片轴杆4-1在舵片带动下转动，以驱动舵片4-2摆动，以提供船体尾部的动力。再结合波浪力对船进行推动。
49.所述侧翼翼片3-6,3-8为流线型扑翼翼片，所述流线型扑翼翼片为前侧边薄、中间厚以及尾侧边薄的流线型。类似飞机的机翼，阻力小，推动力好。
50.所述推进杆3-2的长度为50-65cm，所述舵片4-2处在推进杆3-2的中间段位置，所述舵片4-2从与舵片轴杆4-1安装侧到尾部宽度逐渐变窄且成流线型。船体1垂荡运动传递到推进杆3-2的过程会受到干扰，且在波浪浪高过高时可能会发生水翼露出海面并与其产生冲击，极大的增加了损耗，因此通过模拟和实验表明连接杆在三级海况及以下情况时，推进杆3-2长度为500mm-650mm可提供稳定的流场。
51.所述龙骨骨架结构均采用铝合金材料制成。轻便、硬度和结构均相对较好。
52.所述主龙骨架2-1的中间位置设有提杆，所述提杆的顶端设有吊环1-2，所述侧龙骨架2-3的两端设有紧固螺栓头，所述紧固螺栓头插入到尼龙块的侧壁上并延伸到尼龙块的外部，所述紧固螺栓头2-4上旋有紧固螺母1-8。
53.无人船的水面船体结构还有方便吊运的吊钩、负责隔水的盖板等其他辅助装置。
54.所述船体1上表面设有防水隔板，所述太阳能电池板包括前太阳能板1-1和后太阳能板1-3，所述前太阳能板1-1和后太阳能板1-3分别安装在防水隔板前半部分和后半部分的上表面上。防止太阳能板进水。
55.侧龙骨其为横向构件，与主龙骨同样由铝合金制成，负责承受无人船船体的横向压力并保持船体的几何形状，其通过在螺纹孔处安装螺栓与主龙骨相固结。
56.浮块是构成船体主体结构的部件，其采用模块化设计并由高强度聚酯纤维塑料或同等强度材料制成，负责为无人船整体提供所必须的浮力。无人船整体被分成数块相近尺寸的浮块，浮块在需要时可通过拆卸侧龙骨进行更换。浮块侧弧面与底面呈流线型以减少在水中的阻力，其上根据船体尺寸开有凹长方体区域以承载电池、检测设备及其他必要组件，位置在安装推进装置的浮块额外开有通槽以容纳推进装置连接杆的固定装置。
57.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：包括船体(1)、龙骨骨架结构、控制系统、波浪前推结构(3)和波浪后推结构(4)，所述船体(1)内安装有龙骨骨架结构，所述波浪前推结构安装在船体(1)前端并与船体(1)内部的龙骨骨架结构连接，所述波浪后推结构安装在船体(1)尾端并与船体(1)内部的龙骨骨架结构连接；所述船体(1)由多节中空的尼龙块拼接而成，所述尼龙块包括船头尼龙块(1-10)、船头连接尼龙块(1-9)、多节船身尼龙块(1-7)、船尾尼龙块(1-5)和船尾连接尼龙块(1-6)，所述尼龙块拼接位置采用防水胶粘合，所述尼龙块套在龙骨骨架结构结构上；所述龙骨骨架结构(2)包括主龙骨架(2-1)、侧龙骨架(2-3)和紧固块(2-2)，所述主龙骨架(2-1)上等间距的设有侧贯穿孔，所述侧龙骨架(2-3)从侧贯穿孔穿过并用螺栓贯穿主龙骨架(2-1)和侧龙骨架(2-3)将侧龙骨架(2-3)固定，所述主龙骨架(2-1)的前端和尾端的侧龙骨架(2-3)与主龙骨架(2-1)连接位置用紧固块(2-2)紧固，所述波浪前推结构(3)安装在前端紧固块(2-2)的主龙骨架下方，所述波浪后推结构(4)安装在尾端端紧固块(2-2)的主龙骨架(2-1)下方；所述控制系统包括太阳能电池板、电池仓、控制传输单元、舵机(1-4)、交换机、控制板和气象观测监测模块，所述太阳能电池板通过充电电路与电池仓内电池电性连接，所述舵机(1-4)与控制板电性连接，所述控制传输单元、气象观测监测模块均通过交换机与控制板电性连接，所述控制传输单元与岸上控制室内控制设备网络连接，所述舵机(1-4)与波浪后推结构机械连接，所述气象观测监测模块包括压力传感器、摄像头、温度传感器和浮力装置，所述电池仓内电池给控制板供电。2.根据权利要求1所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述波浪前推结构(3)和波浪后推结构(4)具有相同的波浪推进结构，所述波浪推进结构包括推进杆(3-2)、底板(3-21)、连接杆(3-7)、连接杆拉簧机构和侧翼翼片(3-6,3-8)，所述推进杆(3-2)底端固定在底板(3-21)上表面中间位置，所述推进杆(3-2)顶端设有快拆连接结构(3-1)，所述连接杆(3-7)中间位置设有转杆(3-70)，所述连接杆(3-7)转动安装在底板(3-21)的后侧，所述连接杆拉簧机构包括外延杆(3-20)、弹簧安装杆(3-3)和拉簧(3-4)，所述推进杆(3-2)靠近底端位置设有外延杆(3-20)，所述外延杆(3-20)端部安装有下垂的弹簧安装杆(3-3)，所述弹簧安装杆(3-3)底端与拉簧(3-4)一端连接、拉簧(3-4)的另一端与转杆(3-70)端部连接；所述侧翼翼片(3-6,3-8)一端设有连接杆孔(3-81)，所述侧翼翼片(3-6,3-8)上下面设有与连接杆孔(3-81)相同的紧固卡扣(3-82)，所述连接杆(3-7)插入到连接杆孔(3-81)内。3.根据权利要求2所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述快拆连接结构(3-1)包括轴线贯穿的螺纹杆(3-12)以及套在螺纹杆(3-12)上的梯形体插块(3-11)，所述主龙骨架(2-1)下方设有与梯形体插块(3-11)匹配的凹槽，所述梯形体插块(3-11)插入到凹槽内，所述螺纹杆(3-12)贯穿主龙骨架(2-1)。4.根据权利要求2所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述波浪后推结构(4)上的推进杆(3-2)上半部贯穿有舵片轴杆(4-1)，所述舵片轴杆(4-1)上安装有舵片(4-2)，所述舵片轴杆(4-1)贯穿主龙骨架(2-1)与舵机(1-4)转轴连接。5.根据权利要求2所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述侧翼翼片(3-6,3-8)为流线型扑翼翼片，所述流线型扑翼翼片为前侧边薄、中间厚以及尾侧
边薄的流线型。6.根据权利要求4所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述推进杆(3-2)的长度为50-65cm，所述舵片(4-2)处在推进杆(3-2)的中间段位置，所述舵片(4-2)从与舵片轴杆(4-1)安装侧到尾部宽度逐渐变窄且成流线型。7.根据权利要求1所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述龙骨骨架结构均采用铝合金材料制成。8.根据权利要求1所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述主龙骨架(2-1)的中间位置设有提杆，所述提杆的顶端设有吊环(1-2)，所述侧龙骨架(2-3)的两端设有紧固螺栓头，所述紧固螺栓头插入到尼龙块的侧壁上并延伸到尼龙块的外部，所述紧固螺栓头(2-4)上旋有紧固螺母(1-8)。9.根据权利要求1所述的一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，其特征在于：所述船体(1)上表面设有防水隔板，所述太阳能电池板包括前太阳能板(1-1)和后太阳能板(1-3)，所述前太阳能板(1-1)和后太阳能板(1-3)分别安装在防水隔板前半部分和后半部分的上表面上。

技术总结
本发明公开了一种基于框架结构的波浪驱动水面无人船，包括船体、龙骨骨架结构、控制系统、波浪前推结构和波浪后推结构，所述船体内安装有龙骨骨架结构；所述船体由多节中空的尼龙块拼接而成；所述龙骨骨架结构包括主龙骨架、侧龙骨架和紧固块；所述控制系统包括太阳能电池板、电池仓、控制传输单元、舵机、交换机、控制板和气象观测监测模块。本发明波浪推进的水面无人船，将波浪垂荡产生的能量转化为无人船前进的动力，同时加装的水翼能够增加船体的稳定性，可以极大的提高水面无人船的续航里程，该船质量轻，可靠性高，弥补了常规无人船续航能力不足，航行不稳定等缺点，此外本船还具有成本低、轻量化、无环境污染等优点。无环境污染等优点。无环境污染等优点。


技术研发人员：常宗瑜 张嘉逸 邓超 杜光超 姜丽娜 冯展霞
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/6/27